藝術家對邏輯量子比特的門操作的印象，通過量子糾錯保護其免受故障影響。圖片來源：Johannes Knünz
演示容錯量子計算的基本構建塊
由于高質量的制造，信息處理和存儲過程中的錯誤在現(xiàn)代計算機中變得罕見。但是，對于關鍵應用程序，即使單個錯誤也可能產生嚴重影響，仍然使用基于已處理數(shù)據(jù)冗余的糾錯機制。
量子計算機本質上更容易受到干擾，因此幾乎肯定會總是需要糾錯機制。否則，錯誤將在不受控制的情況下在系統(tǒng)中傳播，并且信息將丟失。由于量子力學的基本定律禁止復制量子信息，因此可以通過將邏輯量子信息分配到幾個物理系統(tǒng)的糾纏狀態(tài)（例如，多個單獨的原子）來實現(xiàn)冗余。
由因斯布魯克大學實驗物理系的Thomas Monz和德國亞琛工業(yè)大學和Forschungszentrum Jülich的Markus Müller領導的研究團隊現(xiàn)在首次成功地在兩個邏輯量子位上實現(xiàn)了一組計算操作，可用于實現(xiàn)任何可能的操作?！皩τ诂F(xiàn)實世界的量子計算機，我們需要一套通用的門，我們可以用它來編程所有算法，”來自因斯布魯克的實驗物理學家Lukas Postler解釋說。
實現(xiàn)基本量子運算
研究小組在具有16個被捕獲原子的離子阱量子計算機上實現(xiàn)了這種通用門集。量子信息存儲在兩個邏輯量子位中，每個位分布在七個原子上。
現(xiàn)在，這是第一次，已經有可能在這些容錯量子比特上實現(xiàn)兩個計算門，這對于一組通用的門是必要的：在兩個量子比特（一個CNOT門）和一個邏輯T門上進行計算操作，這在容錯量子比特上特別困難。
演示了容錯量子計算的基本構建塊。圖片來源：Uni Innsbruck/Harald Ritsch
“T門是非?；镜牟僮?，”理論物理學家Markus Müller解釋說。“它們特別有趣，因為沒有T門的量子算法可以在經典計算機上相對容易地模擬，從而否定任何可能的加速。對于具有T門的算法來說，這不再可能。物理學家通過在邏輯量子位中制備特殊狀態(tài)并通過糾纏門操作將其傳送到另一個量子位來演示T門。
復雜性增加，但準確性也增加
在編碼的邏輯量子比特中，存儲的量子信息受到保護，不會出錯。但是，如果沒有計算操作，這是無用的，這些操作本身就容易出錯。
研究人員已經對邏輯量子位實施了操作，使得由底層物理操作引起的錯誤也可以被檢測和糾正。因此，他們已經在編碼的邏輯量子位上實現(xiàn)了一組通用門的第一個容錯實現(xiàn)。
“與非容錯操作相比，容錯實現(xiàn)需要更多的操作。這將在單個原子的規(guī)模上引入更多的錯誤，但是邏輯量子位上的實驗操作比非容錯邏輯操作更好，“Thomas Monz很高興地報告。“工作量和復雜性增加，但由此產生的質量更好。研究人員還在經典計算機上使用數(shù)值模擬來檢查并確認了他們的實驗結果。
物理學家現(xiàn)在已經證明了量子計算機上容錯計算的所有構建塊。現(xiàn)在的任務是在更大，因此更有用的量子計算機上實現(xiàn)這些方法。因斯布魯克在離子阱量子計算機上演示的方法也可以用于量子計算機的其他架構。
參考文獻：Lukas Postler，Sascha Heuβen，Ivan Pogorelov，Manuel Rispler，Thomas Feldker，Michael Meth，Christian D. Marciniak，Roman Stricker，Martin Ringbauer，Rainer Blatt，Philipp Schindler，Markus Müller和Thomas Monz的“容錯通用量子門操作的演示”，2022年5月25日，Nature。DOI： 10.1038/s41586-022-04721-1
除其他外，歐洲聯(lián)盟在量子旗艦倡議的框架內以及奧地利研究促進局FFG、奧地利科學基金會FWF和奧地利工業(yè)聯(lián)合會為這項研究提供了財政支助。
