修正量子器件中的“抖动”

世界各地的实验室都在竞相开发基于量子力学原理的新型计算和传感设备，与传统的同类设备相比，它们可以提供显著的优势。但这些技术仍然面临一些挑战，其中最重要的挑战之一是如何处理“噪音”——可以消除存储在这些设备中的数据的随机波动。

麻省理工学院(MIT)研究人员开发的一种新方法可能会在量子误差校正方面向前迈出重要一步。这种方法包括对系统进行微调，以解决最可能出现的各种噪声，而不是撒开一张大网，试图捕捉所有可能的干扰源。

这项分析发表在《物理评论快报》杂志上，由麻省理工学院研究生大卫·雷登、博士后莫·陈和核科学与工程教授保拉·卡佩拉罗共同撰写。

“我们现在在发展量子技术时面临的主要问题是，现有的系统体积小、噪音大，”莱登说。噪音，意味着任何类型的不必要的干扰，是特别令人烦恼的，因为许多量子系统天生高度敏感，一个潜在应用的潜在特征。

莱登说，还有一个问题，就是量子系统会受到任何观测的影响。所以，当一个人可以检测到一个经典的系统正在漂移，并应用一个修正来推动它回来，事情在量子世界中更加复杂。“量子系统真正棘手的地方在于，当你观察它们时，你往往会将它们折叠起来，”他说。

经典的误差修正方案是基于冗余度的。例如，在受噪声影响的通信系统中，可以发送每个比特的三份拷贝(111或000)，而不是发送单个比特(1或0)。然后，如果这三位不匹配，就说明有错误。发送的每个比特的副本越多，错误更正就越有效。

同样的基本原理也适用于在量子位上增加冗余，即“量子位”。但是，雷登说，“如果我想要有一个高度的保护，我需要投入我的系统的很大一部分来做这类检查。”现在这是不可能的因为我们有相当小的系统;我们只是没有足够的资源来用通常的方式来做特别有用的量子误差校正。因此，研究人员找到了一种方法，可以将误差修正范围缩小到最普遍的特定种类的噪声上。

他们研究的量子系统是由钻石晶体中一种特殊的缺陷——氮空位中心附近的碳原子核组成的。这些缺陷表现为单个的、孤立的电子，它们的存在使控制附近的碳原子核成为可能。

但研究小组发现，影响这些原子核的绝大多数噪声来自一个单一的来源:附近缺陷本身的随机波动。这种噪声源可以被精确地建模，由于其他噪声源相对无关紧要，抑制其影响可能会产生重大影响。

“我们实际上非常了解这些系统中的主要噪声源，”莱顿说。所以我们不必“撒网捕捉每一种假设的噪音”。

该团队提出了一种不同的纠错策略，专门针对这种特殊的、占主导地位的噪音源。正如莱顿所描述的，噪声来自“这个中心缺陷，或者这个中心‘电子’，它有随机跳跃的倾向。这不安。”

这种抖动反过来又会被附近所有的原子核感觉到，而且是以一种可以预测的方式被纠正。

他表示:“我们的方法的结果是，我们能够以比其它方式所需少得多的资源，获得固定水平的保护。”“我们可以使用一个小得多的系统，采用这种有针对性的方法。”

到目前为止的工作都是理论性的，团队正在积极地进行这一原理的实验演示。研究人员说，如果它如预期的那样工作，这可能成为未来各种基于量子的技术的一个重要组成部分，包括有可能解决以前无法解决的问题的量子计算机，或者不受窥探影响的量子通信系统，或者高度敏感的传感器系统。

莱登说:“这是一种可以以多种方式使用的组件。”“这就好像我们在开发引擎的关键部件。我们离制造一辆完整的汽车还有很长一段路要走，但是我们已经在关键的部分取得了进展。”

“量子误差校正是该领域的下一个挑战，”加拿大舍布鲁克大学(University of Sherbrooke)物理学教授亚历山大·布莱斯(Alexandre Blais)说。“然而，目前量子纠错码的复杂性令人生畏，因为它们需要大量的量子位来稳健地编码量子信息。”

布莱斯补充说:“我们现在已经意识到，利用我们对量子误差校正装置的理解是非常有利的。这项工作在这方面做出了重要贡献，它表明一种常见类型的错误可以以比预期更有效的方式得到纠正。要让量子计算机变得实用，我们需要更多这样的想法。”

这项研究得到了美国陆军研究办公室和国家科学基金会的支持。