量子系統(tǒng)可以運行極高 但不能以完美的精度運行

量子系統(tǒng)可以以極高的精度運行，但不能以完美的精度運行。研究人員現在已經證明了如何在操作過程中監(jiān)控和糾正這些操作中的錯誤。近年來，量子計算領域取得了長足的進步。漸漸地，量子設備開始挑戰(zhàn)傳統(tǒng)計算機，至少在一些選定的任務中。盡管取得了許多進步，但今天的量子信息處理器仍然很難處理誤差，這在任何計算中都是不可避免的。這種無法有效修正的誤差阻礙了量子信息連續(xù)大規(guī)模處理的努力。因此，量子電子研究所的Jonathan Home Group首次在單個實驗中集成了執(zhí)行量子糾錯所需的一系列元件，令人興奮。這些結果今天發(fā)表在《自然》雜志上。

制造不完美的公差

與經典計算機一樣，量子計算機也是由不完美的組件構成的，這些組件對外部干擾更加敏感。這將不可避免地導致執(zhí)行計算時出現錯誤。對于傳統(tǒng)計算機，有一個完整的工具包來檢測和糾正這種錯誤。量子計算機將更加依賴于定位和修復錯誤。這需要一種概念上不同的方法，它考慮到信息是以量子狀態(tài)編碼的。特別是，在不干擾量子信息的情況下重復讀出量子信息，例如檢測錯誤所需的信息，并實時做出反應來扭轉這些錯誤，這帶來了相當大的挑戰(zhàn)。

重復性能

Home群將量子信息編碼在阱中串聯(lián)的單個離子的量子態(tài)中。通常，這些弦只包含一種物質的離子。但博士生弗拉德內格內維茨基(Vlad Negnevitsky)和馬特奧馬里內利(Matteo Marinelli)以及博士后卡蘭梅塔(Karan Mehta)和其他同事，現在已經創(chuàng)造了兩種不同的物種，即兩種鈹離子(9Be)和一種鈣離子(40Ca)。這種混合物種以前已經產生，但是研究小組現在以新的方式使用它們。他們利用了這兩個物種截然不同的特點。特別是，在他們的實驗中，非常不同的淺色被用來操縱和測量鈹和鈣離子。這為研究一個物種而不干擾另一個物種開辟了道路。同時，ETH研究人員發(fā)現了一種使不同離子相互作用的方法，即鈣離子的測量結果可以生成關于鈹離子量子態(tài)的信息，而不會破壞那些脆弱的狀態(tài)。重要的是，當鈹離子遇到缺陷和誤差時，物理學家會反復監(jiān)測它們。該團隊在同一個系統(tǒng)上進行了50次測量，但在之前的實驗中(只使用了鈣離子)，這一重復讀數僅限于幾輪。

經濟調整措施

發(fā)現一個錯誤是一回事，采取行動糾正另一個錯誤是另一回事。為了做到這一點，研究人員開發(fā)了一種強大的控制系統(tǒng)，可以根據偏離目標狀態(tài)的程度反復輕推鈹離子。將離子帶回軌道需要微秒級的復雜信息處理。由于該系統(tǒng)使用了經典的控制電子器件，現在證明的方法應該也適用于基于信息載體而不是俘獲離子的量子計算平臺。重要的是，Negnevitsky、Marinelli、Mehta和他們的同事已經證明，這些技術也可以用來穩(wěn)定兩個鈹離子共享的糾纏量子態(tài)，這在經典物理中沒有直接的等價關系。糾纏是賦予量子計算機獨特能力的一個因素。此外，這些狀態(tài)還可以用來提高精確測量的精度。用于糾錯的組件(如現在證明的組件)可以使這些狀態(tài)持續(xù)更長時間——這不僅為量子計算，也為計量學提供了有趣的前景。

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