一个巧妙的量子“小技巧”，让实用量子计算机更近一步

由于这些变化可能随机发生，即使单个错误也会干扰计算。防止这种干扰是量子工程师面临的核心问题之一。用逻辑量子比特保护信息 为减少这些错误，研究人员将多个物理量子比特组合成单个逻辑量子比特，并进行持续的纠错。这种策略有助于长时间保存量子信息，使存储相对稳定。但存储信息只是任务的一部分。要运行量子算法，必须使用量子门对量子比特进行主动操控，量子门是驱动量子计算的基本操作。事实证明，在不引入新错误的情况下执行这些操作，比单纯让量子比特保持静止稳定要困难得多。边纠错边计算的新方法 由D-PHYS的安德烈亚斯·瓦拉夫教授领导的团队现在展示了一种直接解决这一问题的方法。该团队与保罗·谢勒研究所（PSI）的研究人员以及亚琛工业大学和于利希研究中心的马库斯·米勒教授领导的理论家合作，展示了如何在超导逻辑量子比特之间执行量子操作，同时进行纠错。他们的研究结果最近发表在《自然·物理》杂志上。这项工作标志着在实现容错量子计算方面迈出了重要一步，容错量子计算可使计算过程不受持续错误的干扰。量子纠错为何不同 经典计算机的纠错依赖于复制信息。可以存储多个相同的比特，之后进行检查和比较。如果其中一个发生翻转，多数表决就能得出正确值。但这种方法在量子系统中不起作用。“对于量子比特，情况要复杂得多，”瓦拉夫团队的博士后研究员伊利亚·贝塞丁博士说，他与博士生迈克尔·克施鲍姆共同担任该研究的主要作者。量子信息不能被复制或克隆，而是必须分布在纠缠的量子比特上。此外，量子系统还会出现相位翻转错误，这在经典计算中没有对应情况，需要专门的纠错方法。利用表面码进行纠错 一种广泛使用的解决方案是表面码。在这种方法中，单个量子比特的信息被分布在多个物理数据量子比特上。错误检测依赖于对稳定器的重复测量，稳定器与数据量子比特一起工作，构成逻辑量子比特。这些稳定器通过连接到数据量子比特的额外量子比特进行监控。测量稳定器可以发现检查期间是否发生了比特翻转或相位翻转。Z型稳定器检测比特值的变化，X型稳定器检测相位变化。重要的是，数据量子比特本身从不被直接测量，这使得它们能够安全地存储经过纠错的量子态。执行逻辑操作的挑战 当研究人员想要在两个逻辑量子比特之间应用如受控非门这样的逻辑操作时，过程会变得更加复杂。操作过程本身可能会产生错误，这些错误也必须得到纠正。“如果我们能移动量子比特并任意连接它们，以这种容错方式执行逻辑操作会相对容易，”克施鲍姆说。然而，在超导量子处理器中，量子比特是固定的，只有相邻的量子比特才能相互作用，这限制了操作的执行方式。用晶格手术分割方块 为在这些限制条件下工作，团队采用了一种称为晶格手术的方法。在实验中，研究人员从一个由17个物理量子比特编码的单个逻辑量子比特开始。数据量子比特和稳定器排列成大致的方形图案。在多个周期内，每1.66微秒测量一次稳定器，以纠正比特翻转和相位翻转。在关键时刻，测量了穿过方块中心的三个数据量子比特。这一步有效地将表面码分成两个独立的部分。同时，X型稳定器的测量被暂停。“这一操作的最终结果是我们得到了两个相互纠缠的逻辑量子比特，”贝塞丁解释道。在分割过程中，比特翻转错误继续得到纠正。之后，两半各自独立恢复比特翻转纠错。虽然这个操作本身还不能产生受控非门，但它可以与额外的分割和合并步骤结合来创建受控非门。超导量子比特的首次突破 “可以说，晶格手术操作是基础操作，其他所有操作都可以由它构建而成，”贝塞丁说。他补充道：“据我们所知，这是首次在超导量子比特上实现晶格手术，”“我们还有很长的路要走。例如，要使一个逻辑量子比特的分割操作也能稳定抵抗相位翻转，需要41个物理量子比特。尽管如此，在超导量子比特上演示晶格手术，标志着朝着构建具有数千个量子比特的实用量子计算机这一宏伟目标迈出了重要一步。