機器之心報道
編輯：澤南
復雜性增加，但準確性也增加了。
理論上，量子計算機可以解決常規(guī)計算機在宇宙生命周期時間內也無法解決的問題。然而，我們需要大量的工程和技術才能將其「理論上」的能力兌現，制造出實用化的量子設備。
首先，量子計算機必須能夠克服自身對錯誤的脆弱性。在新研究中，研究人員已經成功開發(fā)出一種技術，可以用所謂「容錯」的方式執(zhí)行任何可能的量子計算。
在經典計算機上，我們以晶體管的開啟和關閉狀態(tài)表示數據符號的 1 或 0，而量子計算機使用「量子比特」，由于量子物理層面上的特殊性質，它們可以存在 1 和 0 同時成立的疊加態(tài)，從而讓每個量子比特可以一次執(zhí)行更多計算。
理論上，量子比特可以連接在一起成為通用量子計算機，以執(zhí)行任何潛在的量子計算。量子力學連接或糾纏的量子比特越多，它們可以同時執(zhí)行的計算就越多。
根據在 5 月 25 日出版的《自然》雜志上發(fā)表論文的研究人員所說，當今最先進的量子計算機通常大約每 1000 次操作就會出現一個錯誤。然而，許多實際生產環(huán)境下的應用要求錯誤率降低十億倍或更多。
糾錯能力是量子計算面臨的主要挑戰(zhàn)之一，量子計算機本質上更容易受到干擾，因此可能總是需要糾錯機制，否則錯誤將在系統中不受控制地傳播，同時丟失信息。
因為量子力學的基本定律禁止復制量子信息，所以科學家通常將邏輯量子信息分配到多個物理系統的糾纏狀態(tài)中來實現冗余，例如多個單獨的原子，從而補償高錯誤率。這將有助于量子計算機檢測和糾正錯誤，研究人員迄今為止已經開發(fā)出一千個左右「物理量子比特」的集群，其可以組成一個有用的「邏輯量子比特」。
重要的是，「邏輯量子比特是一種抽象，不是由單個被困原子或光子或任何量子計算媒介組成，而是作為一個能夠執(zhí)行實際計算并跨越多個物理量子比特的實體。
然而，構建容錯量子計算機需要的不僅僅是將規(guī)模擴展到數千個物理量子比特。量子計算機也將需要各種輔助量子比特。
當兩個邏輯量子比特在一個量子邏輯門（Quantum logic gate，傳統計算機邏輯門的量子計算版本）中連接時，科學家希望確保邏輯量子比特中的每個物理量子比特僅與另一個邏輯量子比特中的物理量子比特交互。這減少了物理量子比特出現錯誤時可能發(fā)生的中斷。但這樣做需要輔助量子比特來監(jiān)控這些潛在錯誤，從而增加了這些系統的復雜性。
現在，科學家們首次開發(fā)出一種能夠以容錯方式執(zhí)行通用操作的量子計算機。在這項新研究中，研究人員對一臺具有 16 個物理量子比特的量子計算機進行了實驗，每個物理量子比特都由一個電捕獲的鈣離子組成。量子信息存儲在兩個邏輯量子比特中，每個邏輯量子比特分布在七個物理量子比特上。
這些邏輯量子比特由所謂的橫向邏輯 CNOT 門連接，該門將一個邏輯量子比特中的每個物理量子比特與另一個邏輯量子比特中的對應物理量子比特連接起來。研究人員還在「T 門」中使用了兩個輔助量子比特，這有助于監(jiān)控錯誤。
研究人員使用的這種輔助量子比特被稱為「標記量子比特」。這些量子比特專注于檢測可能發(fā)展為重大不可糾正錯誤事件的小錯誤。研究的主要作者、奧地利因斯布魯克大學的量子物理學家 Lukas Postler 認為，對于實用型量子計算機，我們需要一套通用門，并用它來編程所有算法。理論上，標記量子比特應該會減少容錯量子計算機所需的輔助量子比特數量。
「我認為這項工作最令人興奮的方面是，盡管電路的復雜性更高，但與非容錯邏輯操作相比，我們看到容錯邏輯操作的質量有所提高，」 Postler 說道。研究人員指出，這些發(fā)現可能有助于為容錯通用量子計算機鋪平道路。
參考內容：
https://spectrum.ieee.org/fault-tolerant-quantum-computing-milestone
https://www.sciencedaily.com/releases/2022/05/220525110852.htm
