容错量子计算的基本构件已经完成演示

2022年05月29日 07:43 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

由于高质量的制造工艺,现代计算机在处理和存储信息的过程中出现的错误已经变得非常罕见。然而,对于关键的应用,即使是单一的错误也会产生严重的影响,因此基于处理数据的冗余度的验证与纠错机制仍然被广泛使用。量子计算机相比传统计算机本质上更容易受到干扰,因此几乎肯定总是需要纠错机制。否则,错误会在系统中不受控制地传播,导致信息丢失。

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艺术家对逻辑量子比特的门操作的印象,这些逻辑量子比特通过量子纠错的方式来保护其运算精确性。

由于量子力学的基本定律禁止复制量子信息,因此可以通过将逻辑量子信息分布到几个物理系统的纠缠状态中来实现冗余,例如,多个单独的原子。

由因斯布鲁克大学实验物理系的托马斯-蒙茨和德国亚琛工业大学和尤利希研究中心的马库斯-穆勒领导的研究小组现在首次成功地在两个逻辑量子位上实现了一套计算操作,可以用来实现任何可能的操作。来自因斯布鲁克的实验物理学家Lukas Postler解释说:"对于一个真实世界的量子计算机,我们需要一套通用的门,用它来编程所有的算法。"

实现基本的量子操作

研究小组在一台具有16个被困原子的离子阱量子计算机上实现了这个通用门组。量子信息被存储在两个逻辑量子比特中,每个比特分布在七个原子上。

研究人员首次在这些容错量子比特上实现两个计算门,这是通用门组的必要条件:两个量子比特上的计算操作(CNOT门)和逻辑T门,这在容错量子比特上特别难以实现。

展示的容错量子计算的基本构件。资料来源:Uni Innsbruck/Harald Ritsch

理论物理学家马库斯-穆勒解释说:"T门是非常基本的操作。它们特别有趣,因为没有T门的量子算法可以在经典计算机上相对容易地模拟,否定了任何可能的速度提升。对于有T门的算法来说,这就不再可能了。"

物理学家们通过在一个逻辑量子比特中准备一个特殊的状态,并通过纠缠门操作将其传送到另一个量子比特中来演示T门。

复杂度增加,但准确度也增加

在编码的逻辑量子比特中,存储的量子信息受到保护,不会出现错误。但如果没有计算操作产生,不出现错误也是毫无用处的,况且这些操作本身也是容易出错的。

研究人员已经在逻辑量子比特上实现了操作,其方式是由基础物理操作引起的错误也可以被检测和纠正。因此,他们在编码的逻辑量子比特上实现了第一个通用门组的容错实施。

"容错的实现比非容错的操作需要更多的操作。这将在单原子的规模上引入更多的错误,但尽管如此,逻辑量子比特上的实验操作还是比非容错逻辑操作要好,"托马斯-蒙茨高兴地说。"虽然开销和复杂性增加了,但所产生的质量却更好。"研究人员还利用经典计算机上的数值模拟检查并验证了他们的实验结果。

物理学家们现在已经证明了在量子计算机上进行容错计算的所有构建模块。接下来的任务是在更大、更有用的量子计算机上实现这些方法。在因斯布鲁克的离子阱量子计算机上演示的方法也可以用于其他量子计算机的架构上。

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