消除量子计算机错误的新方法

未来的量子计算机有望解决各种问题。例如，它们可以带来更可持续的材料、新药，甚至破解基础物理学中最困难的问题。但与当今使用的经典计算机相比，基本的量子计算机更容易出错。如果研究人员可以取出一个特殊的量子橡皮擦并摆脱错误，那不是很好吗？

在 《自然》 杂志上报道，由加州理工学院领导的一组研究人员是最早展示一种量子橡皮擦的人之一。物理学家表明，他们可以查明并纠正量子计算系统中称为“擦除”错误的错误。

“通常很难检测到量子计算机中的错误，因为只是寻找错误的行为会导致更多事情发生，”新研究的共同主要作者，加州理工学院物理学教授Manuel Endres实验室的研究生Adam Shaw说。“但我们表明，通过一些仔细的控制，我们可以精确地定位和擦除某些错误而不会产生后果，这就是擦除名称的来源。

量子计算机基于控制亚原子领域的物理定律，例如纠缠，这是一种粒子保持连接并相互模仿而不直接接触的现象。在这项新研究中，研究人员专注于一种量子计算平台，该平台使用中性原子阵列或不带电荷的原子。具体来说，他们操纵了限制在由激光制成的“镊子”内的单个碱土中性原子。原子被激发到高能态或“里德伯”态，其中相邻的原子开始相互作用。

“我们量子系统中的原子相互交谈并产生纠缠，”该研究的另一位共同主要作者，加州理工学院前博士后学者Pascal Scholl解释说，现在在法国一家名为PASQAL的量子计算公司工作。

纠缠是量子计算机超越经典计算机的原因。“然而，自然界不喜欢停留在这些量子纠缠态中，”Scholl解释说。“最终，发生了错误，破坏了整个量子态。这些纠缠状态可以被认为是装满苹果的篮子，其中原子就是苹果。随着时间的推移，一些苹果会开始腐烂，如果不将这些苹果从篮子里取出并换成新鲜的苹果，所有的苹果都会迅速腐烂。目前尚不清楚如何完全防止这些错误的发生，因此现在唯一可行的选择是检测并纠正它们。

新的纠错系统的设计方式是，错误的原子在被激光击中时会发出荧光或点亮。“我们有发光原子的图像，告诉我们错误在哪里，所以我们可以将它们排除在最终统计数据之外，或者应用额外的激光脉冲来主动纠正它们，”Scholl说。

在中性原子系统中实现擦除检测的理论最初是由普林斯顿大学电气和计算机工程教授杰夫汤普森和他的同事提出的。该团队最近还在实验室实验中展示了该技术。

通过消除和定位里德伯原子系统中的错误，加州理工学院的团队表示，他们可以提高整体纠缠率或保真度。在这项新研究中，研究小组报告说，每1000对原子中只有一个没有纠缠在一起。这比以前实现了10倍的改进，并且是此类系统中观察到的最高纠缠率。

最终，这些结果对于使用里德伯中性原子阵列的量子计算平台来说是个好兆头。“中性原子是最具可扩展性的量子计算机类型，但直到现在它们才具有高纠缠保真度，”Shaw说。

这项 名为“ 高保真里德伯量子模拟器中的擦除转换”的新自然研究由美国国家科学基金会（NSF）通过位于加州理工学院的量子信息与物质研究所（IQIM）资助;国防高级研究计划局;美国国家科学基金会职业奖;空军科学研究办公室;NSF量子飞跃挑战研究所;能源部的量子系统加速器;台湾-加州理工学院奖学金;和特罗什博士后奖学金。加州理工学院的其他附属作者包括研究生理查德·蔡冰诗;Ran Finkelstein，Troesh博士后学者物理学研究助理;以及前博士后崔俊熙，现任斯坦福大学教授。