碉堡！能“自我反省”的量子計(jì)算機(jī)出世

科學(xué)日?qǐng)?bào)報(bào)道，近日西班牙和奧地利的物理學(xué)家們密切合作， 對(duì)分布在一些粒子之間的量子糾纏態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性量子比特(qubit)編碼，并首次對(duì)它進(jìn)行了簡(jiǎn)單的計(jì)算。這個(gè)七量子比特的量子寄存器可以被用作量子計(jì)算機(jī)的基本建構(gòu)單元，后者能夠?qū)θ魏晤愋偷腻e(cuò)誤進(jìn)行糾正。研究人員的研究結(jié)果被發(fā)表在期刊《科學(xué)》上。

量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)θ魏晤愋偷腻e(cuò)誤進(jìn)行糾正

即使是計(jì)算機(jī)也易于出錯(cuò)。最細(xì)微的干擾都可能改變已保存的信息并篡改計(jì)算結(jié)果。為了克服這些問題，計(jì)算機(jī)會(huì)運(yùn)行特定的日?；顒?dòng)以持續(xù)的檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。對(duì)于未來的量子計(jì)算機(jī)也是如此，它也需要糾錯(cuò)程序：“量子現(xiàn)象非常脆弱也易于出錯(cuò)。錯(cuò)誤可能會(huì)迅速的傳播并嚴(yán)重的擾亂計(jì)算機(jī)，”奧地利因斯布魯克大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理研究所的科學(xué)家瑞納·布拉特(Rainer Blatt)帶領(lǐng)的研究小組的成員托馬斯·莫恩滋(Thomas Monz)這樣說道。

與西班牙馬德里康普頓斯大學(xué)理論物理學(xué)學(xué)院的馬庫斯·穆勒(Markus Müller)以及米格爾·安吉爾·馬丁-德爾加多(Miguel Angel Martin-Delgado)密切合作，因斯布魯克大學(xué)的物理學(xué)家們修訂了一套新的量子糾錯(cuò)方法，并對(duì)它進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性的測(cè)試。“量子比特極其復(fù)雜，且無法簡(jiǎn)單的復(fù)制。此外，這些微觀量子世界里的錯(cuò)誤是多方面的，比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)里的糾錯(cuò)要更加困難。” 莫恩滋這樣強(qiáng)調(diào)道。“為了在量子計(jì)算機(jī)里檢測(cè)并糾正錯(cuò)誤，我們需要高度成熟的所謂的量子糾錯(cuò)碼。” 目前實(shí)驗(yàn)里所使用的拓?fù)浯a是由馬德里馬丁-德爾加多帶領(lǐng)的科研小組提出的。 量子比特被分布在二維的晶格里，它們可以與臨近的粒子發(fā)生相互作用。

七個(gè)離子里編碼的量子比特

在因斯布魯克大學(xué)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)里，物理學(xué)家將七個(gè)鈣原子限定在一個(gè)離子阱里，使得后者能夠?qū)⑦@些原子冷卻到接近絕對(duì)零度并通過激光束對(duì)它們進(jìn)行精確的控制。研究人員將單獨(dú)的邏輯量子比特編碼成糾纏態(tài)的量子，而量子糾錯(cuò)碼為這個(gè)程序提供了這樣的編碼過程。“對(duì)七個(gè)物理量子比特的邏輯量子比特進(jìn)行編碼是一項(xiàng)真正的實(shí)驗(yàn)性挑戰(zhàn)，”瑞納·布拉特的研究小組成員丹尼爾·尼格(Daniel Nigg)這樣說道。物理學(xué)家通過三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，在每一個(gè)步驟里都使用了復(fù)雜的激光脈沖序列以創(chuàng)造四個(gè)臨近量子比特的糾纏。“通過以一種可以控制的方式擾亂七個(gè)原子里單一量子比特的信息，我們首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)單一量子比特的編碼，” 馬庫斯·穆勒激動(dòng)的說道。“當(dāng)我們以這樣特定的方式實(shí)現(xiàn)原子糾纏，它為接下來的糾錯(cuò)和可能的計(jì)算提供了足夠多的信息。”

無錯(cuò)誤的操作

在另外一個(gè)步驟里，物理學(xué)家測(cè)試了這一編碼檢測(cè)和糾正不同類型的錯(cuò)誤的能力。“我們論證了在這樣的量子系統(tǒng)里，我們能夠獨(dú)立的檢測(cè)和糾正每一個(gè)粒子里可能的錯(cuò)誤，” 丹尼爾·尼格說道。“我們只需要這些粒子之間關(guān)聯(lián)性的信息，無需對(duì)單一粒子進(jìn)行測(cè)量。”尼格的同事埃斯特班·馬丁內(nèi)斯(Esteban Martinez)這樣解釋道。除了可靠的檢測(cè)單一錯(cuò)誤，物理學(xué)家們還首次對(duì)邏輯編碼的量子比特進(jìn)行了單一甚至迭代運(yùn)算。一旦克服了復(fù)雜編碼過程的障礙，每一個(gè)單一的門運(yùn)算只需要簡(jiǎn)單的單一量子比特門運(yùn)算就足夠。“利用這種量子編碼，我們可以執(zhí)行基本的量子操作并同時(shí)糾正所有可能的錯(cuò)誤，” 莫恩滋這樣說道。他將這看做是通向可靠容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)的道路的重要里程碑。

未來創(chuàng)新的基礎(chǔ)

由西班牙和奧地利物理學(xué)家開發(fā)的新方法組成了未來革新的基礎(chǔ)。“這種應(yīng)用于編碼單個(gè)邏輯量子比特的7離子系統(tǒng)可以作為更大的量子系統(tǒng)的建構(gòu)單元，”理論物理學(xué)家穆勒這樣說道。“晶格越大，它將變得越穩(wěn)健。產(chǎn)生的結(jié)果可能是能夠進(jìn)行任何數(shù)量的運(yùn)算且不受到錯(cuò)誤阻礙的量子計(jì)算機(jī)。”

目前的實(shí)驗(yàn)不僅打開了技術(shù)革新的新方向，“還會(huì)產(chǎn)生新的問題，例如首先將應(yīng)用哪種方法來描繪這樣的大邏輯量子比特，” 瑞納·布拉特這樣說道。“此外我們計(jì)劃進(jìn)一步合作研發(fā)所使用的量子編碼，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化以用于更廣泛的運(yùn)算。” 馬丁-德爾加多補(bǔ)充說道。