如何構(gòu)建容錯量子計算機(jī)？

量子計算機(jī)理論上可以解決宇宙生命周期內(nèi)任何常規(guī)計算機(jī)都無法解決的問題。然而，需要大量的工程和技術(shù)才能將其“理論上”轉(zhuǎn)化為一個能工作的量子設(shè)備，從而真正開始實現(xiàn)這一承諾的應(yīng)用。在一項新的研究中，研究人員成功地開發(fā)了一種技術(shù)，可以以所謂的“容錯”方式執(zhí)行任何可能的量子計算。

量子計算機(jī)使用量子比特或量子位，由于量子物理的模糊性，量子位可以存在于疊加狀態(tài)，即它們同時為1和0。這本質(zhì)上允許每個量子比特一次執(zhí)行多個計算。理論上，量子位可以連接到通用量子計算機(jī)中，這些計算機(jī)可以執(zhí)行任何潛在的量子計算。量子力學(xué)鏈接或糾纏的量子比特越多，它們可以同時進(jìn)行的計算就越多。

根據(jù)發(fā)表在近日出版的《自然》雜志上的研究人員的說法，當(dāng)今最先進(jìn)的量子計算機(jī)通常每1000次操作中大約會發(fā)生一次錯誤。然而，許多實際應(yīng)用需要錯誤率降低十億倍或更多。

科學(xué)家通常希望通過將量子信息傳播到許多冗余的量子位來補(bǔ)償這些高錯誤率。這將有助于量子計算機(jī)檢測和糾正錯誤，從而使研究人員迄今為止開發(fā)的一千個左右的“物理量子比特”組成一個有用的“邏輯量子比特”。重要的是，“邏輯量子位”是抽象的，它不是由單個被捕獲的原子或光子或任何量子計算介質(zhì)組成，而是一個能夠執(zhí)行實際計算并跨越多個物理量子位的實體。

然而，構(gòu)建一個容錯量子計算機(jī)需要的不僅僅是擴(kuò)展到數(shù)千個物理量子位。量子計算機(jī)還需要各種輔助量子比特。

此外，量子不可克隆定理表明，對任意一個未知的量子態(tài)進(jìn)行完全相同的復(fù)制過程不可實現(xiàn)，需要通過將邏輯量子信息分配到多個物理系統(tǒng)的糾纏態(tài)來實現(xiàn)冗余。這就需要一套通用的門，對所有算法進(jìn)行編程。

近日，因斯布魯克大學(xué)的研究人員首次成功在兩個邏輯量子位上實現(xiàn)了一套計算操作，在具有16個被捕獲原子的離子阱量子計算機(jī)上實現(xiàn)了這個通用門集。這意味著容錯量子計算機(jī)或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實。

量子門是構(gòu)建量子計算機(jī)的基本單元，實現(xiàn)高保真度的量子門操作是容錯量子計算的必要條件。因此，研究人員在邏輯量子位中準(zhǔn)備了一個特殊的狀態(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。

在編碼過的邏輯量子位中，存儲的量子信息被保護(hù)著，不會出錯。但如果不進(jìn)行計算操作，這樣的量子位就是無用的。因此，研究人員在邏輯量子位上進(jìn)行了操作，使基礎(chǔ)物理操作引起的錯誤可以被檢測和糾正，并在編碼的邏輯量子位上實現(xiàn)了通用門集的第一個容錯演示。

可以說，在容錯量子位中，實現(xiàn)基于兩個量子位（一個 CNOT門，即量子受控非門）和一個邏輯T門的計算操作難以進(jìn)行。但該研究在離子阱量子計算機(jī)上實現(xiàn)了通用量子門集，這對于容錯量子計算機(jī)的發(fā)展具有重大意義。

研究人員使用的輔助量子位被稱為“flag量子位”這些量子位專注于檢測小錯誤可能增長為無法糾正的大錯誤的事件。奧地利因斯布魯克大學(xué)量子物理學(xué)家Lukas Postler表示，理論上，flag量子比特應(yīng)該減少容錯量子計算機(jī)所需的輔助量子比特的數(shù)量。

“我認(rèn)為這項工作最令人興奮的方面是，盡管電路的復(fù)雜性更高，但與非容錯邏輯操作相比，我們看到容錯邏輯操作的質(zhì)量有所提高，”Postler說。研究人員指出，這些發(fā)現(xiàn)可能有助于為容錯通用量子計算機(jī)鋪平道路。

審核編輯 ：李倩