一种消除量子计算机错误的新方法

虽然在量子器件中，错误通常很难被发现，但研究人员已经证明，在仔细控制下，一些错误可能会导致原子发光。研究人员利用这种能力，使用原子阵列和激光束来执行量子模拟，如图所示。实验表明，他们可以丢弃发光的错误原子，使量子模拟更有效地运行。资料来源:加州理工学院/Lance Hayashida

未来的量子计算机有望解决各种各样的问题。例如，它们可以产生更可持续的材料和新药，甚至可以解决基础物理学中最难的问题。但与目前使用的经典计算机相比，基本的量子计算机更容易出错。如果研究人员可以拿出一种特殊的量子橡皮擦来消除错误，那不是很好吗?

据《自然》杂志报道，由加州理工学院领导的一组研究人员率先展示了一种量子橡皮擦。物理学家表示，他们可以精确定位并纠正量子计算系统中被称为“擦除”错误的错误。

这项新研究的联合主要作者、加州理工学院物理学教授曼努埃尔·恩德雷斯实验室的研究生亚当·肖说:“在量子计算机中，通常很难检测到错误，因为寻找错误的行为会导致更多错误发生。”“但我们表明，通过一些仔细的控制，我们可以精确地定位和删除某些错误，而不会产生后果，这就是‘删除’这个名字的由来。”

量子计算机基于控制亚原子领域的物理定律，比如纠缠，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使用中性原子阵列或不带电原子的量子计算平台。

具体来说，他们操纵了单个碱土中性原子，这些原子被限制在由激光制成的“镊子”中。原子被激发到高能状态，即“里德伯”状态，在这种状态下，邻近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，”该研究的另一位联合主要作者Pascal Scholl解释说，他曾是加州理工学院的博士后学者，现在在法国一家名为PASQAL的量子计算公司工作。

量子纠缠是量子计算机超越经典计算机的原因。“然而，大自然不喜欢停留在这些量子纠缠态，”Scholl解释说。“最终，一个错误发生了，破坏了整个量子态。这些纠缠态可以想象成装满苹果的篮子，其中的原子就是苹果。随着时间的推移，一些苹果会开始腐烂，如果不把这些苹果从篮子里拿出来，换成新鲜的苹果，所有的苹果都会很快腐烂。目前还不清楚如何完全防止这些错误的发生，所以现在唯一可行的选择就是发现并纠正它们。”

新的错误捕捉系统被设计成这样，当被激光击中时，错误的原子会发出荧光或发光。Scholl说:“我们有发光原子的图像，可以告诉我们错误在哪里，因此我们可以将它们从最终统计中删除，或者使用额外的激光脉冲来主动纠正它们。”

在中性原子系统中实现擦除检测的理论最早是由普林斯顿大学电子和计算机工程教授杰夫·汤普森和他的同事们提出的。该团队最近也在《自然》杂志上报道了他们的技术。

加州理工学院的研究小组表示，通过消除和定位里德伯原子系统中的错误，他们可以提高纠缠的总体速率或保真度。在这项新研究中，研究小组报告说，1000对原子中只有1对没有纠缠在一起。这比之前取得的成绩提高了10倍，是此类系统中迄今为止观察到的最高纠缠率。

最终，这些结果对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，但直到现在它们还没有高纠缠保真度，”肖说。

更多信息:Pascal Scholl等人，高保真Rydberg量子模拟器中的Erasure转换，Nature(2023)。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06516 - 4

期刊信息:Nature

来自：量子梦