美國谷歌公司的物理學(xué)家們?cè)谙虮Ｗo(hù)量子計(jì)算機(jī)中微妙信息不被錯(cuò)誤抹殺方面邁出了重要的一步。雖然，研究人員還不能彌補(bǔ)所有類型的錯(cuò)誤——這是建造一個(gè)成熟量子計(jì)算機(jī)的必要步驟，但該實(shí)驗(yàn)演示或?yàn)榭蓴U(kuò)展容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)鋪平了道路。7月14日，相關(guān)論文刊登于《自然》。

　　20多年來，物理學(xué)家和工程師一直致力于開發(fā)量子計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)有朝一日可能會(huì)解決任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決的問題，比如破解目前用于保護(hù)互聯(lián)網(wǎng)信息的加密方案。從智能手機(jī)到超級(jí)計(jì)算機(jī)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)上運(yùn)行，稱為比特。相比之下，量子計(jì)算機(jī)在量子比特上運(yùn)算，量子比特可以被設(shè)置為0、1，或者同時(shí)設(shè)置為0和1的任意混合，比如30% 0和70% 1。

　　然而，量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣，很容易出現(xiàn)由底層物理系統(tǒng)“噪聲”引起的錯(cuò)誤。處理這些錯(cuò)誤是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。普通計(jì)算機(jī)可以通過簡單地復(fù)制比特，并使用這些副本來驗(yàn)證正確狀態(tài)進(jìn)而防止錯(cuò)誤。但量子計(jì)算機(jī)無法做到這一點(diǎn)，因?yàn)榱孔恿�學(xué)禁止將一個(gè)量子比特的未知狀態(tài)復(fù)制給其他量子比特。

　　目前，一種解決辦法是在計(jì)算機(jī)操作中加入一種能在錯(cuò)誤出現(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正這些錯(cuò)誤的方法。另一種量子糾錯(cuò)方法使用量子糾錯(cuò)碼，通過將多個(gè)量子比特當(dāng)作一個(gè)邏輯量子比特，從而在不破壞邏輯量子比特中存儲(chǔ)信息的情況下，發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤。為了實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的潛力，邏輯錯(cuò)誤率必須保持在很低的水平。

　　于是，研究人員將數(shù)據(jù)量子比特與所謂的輔助量子比特交錯(cuò)，并在每個(gè)輔助者及其鄰居之間建立了一種稱為糾纏的量子鏈路。通過反復(fù)測量輔助量子比特，研究人員可以判斷相鄰的數(shù)據(jù)量子比特是否相互翻轉(zhuǎn)——而無需直接測量數(shù)據(jù)量子比特。

　　谷歌物理學(xué)家、該論文通訊作者Julian Kelly和同事，研究了量子處理器“懸鈴木”的量子糾錯(cuò)能力。“懸鈴木”包含一個(gè)54超導(dǎo)量子比特的二維陣列。研究人員運(yùn)行了兩種量子糾錯(cuò)碼，一種是最多由21個(gè)量子比特組成的一維鏈重復(fù)碼，用來測試錯(cuò)誤抑制能力；另一種是由7個(gè)量子比特組成的二維表面碼，作為與更大碼的設(shè)置相容性的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

　　研究表明，將重復(fù)碼基于的量子比特?cái)?shù)量從5個(gè)提高到21個(gè)，對(duì)邏輯錯(cuò)誤的抑制實(shí)現(xiàn)了最多100倍的指數(shù)增長。這種錯(cuò)誤抑制能力在50次糾錯(cuò)實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)穩(wěn)定。

　　但Kelly表示，盡管如此，該團(tuán)隊(duì)只是在走向完全糾正錯(cuò)誤的中途。首先，研究人員沒有將翻轉(zhuǎn)的物理量子比特推回到最初狀態(tài)。

　　更重要的是，該團(tuán)隊(duì)不能同時(shí)解決兩種可能影響量子比特的錯(cuò)誤：比特翻轉(zhuǎn)(交換量子態(tài)的0和1部分)和相位翻轉(zhuǎn)(改變了0和1部分在數(shù)學(xué)上的嚙合方式)。在任何給定的實(shí)驗(yàn)中，研究人員只能抑制其中一種錯(cuò)誤。

　　英國倫敦帝國理工學(xué)院的Peter Knight表示，谷歌的研究正在朝著未來量子計(jì)算機(jī)所必需的某些東西邁進(jìn)�！耙�?yàn)槿绻麤]有這個(gè)進(jìn)步，人們?nèi)匀粺o法確定通向容錯(cuò)的路線圖是否可行。”但他表示，要真正建立有效的糾錯(cuò)機(jī)制將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，這意味著要構(gòu)建一個(gè)擁有更多量子比特的處理器。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03588-y