如何构建容错量子计算机？

量子计算机理论上可以解决宇宙生命周期内任何常规计算机都无法解决的问题。然而，需要大量的工程和技术才能将其“理论上”转化为一个能工作的量子设备，从而真正开始实现这一承诺的应用。在一项新的研究中，研究人员成功地开发了一种技术，可以以所谓的“容错”方式执行任何可能的量子计算。

量子计算机使用量子比特或量子位，由于量子物理的模糊性，量子位可以存在于叠加状态，即它们同时为1和0。这本质上允许每个量子比特一次执行多个计算。理论上，量子位可以连接到通用量子计算机中，这些计算机可以执行任何潜在的量子计算。量子力学链接或纠缠的量子比特越多，它们可以同时进行的计算就越多。

根据发表在近日出版的《自然》杂志上的研究人员的说法，当今最先进的量子计算机通常每1000次操作中大约会发生一次错误。然而，许多实际应用需要错误率降低十亿倍或更多。

科学家通常希望通过将量子信息传播到许多冗余的量子位来补偿这些高错误率。这将有助于量子计算机检测和纠正错误，从而使研究人员迄今为止开发的一千个左右的“物理量子比特”组成一个有用的“逻辑量子比特”。重要的是，“逻辑量子位”是抽象的，它不是由单个被捕获的原子或光子或任何量子计算介质组成，而是一个能够执行实际计算并跨越多个物理量子位的实体。

然而，构建一个容错量子计算机需要的不仅仅是扩展到数千个物理量子位。量子计算机还需要各种辅助量子比特。

此外，量子不可克隆定理表明，对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制过程不可实现，需要通过将逻辑量子信息分配到多个物理系统的纠缠态来实现冗余。这就需要一套通用的门，对所有算法进行编程。

近日，因斯布鲁克大学的研究人员首次成功在两个逻辑量子位上实现了一套计算操作，在具有16个被捕获原子的离子阱量子计算机上实现了这个通用门集。这意味着容错量子计算机或将成为现实。

量子门是构建量子计算机的基本单元，实现高保真度的量子门操作是容错量子计算的必要条件。因此，研究人员在逻辑量子位中准备了一个特殊的状态，并通过纠缠门操作将其传送到另一个量子位来演示T门。

在编码过的逻辑量子位中，存储的量子信息被保护着，不会出错。但如果不进行计算操作，这样的量子位就是无用的。因此，研究人员在逻辑量子位上进行了操作，使基础物理操作引起的错误可以被检测和纠正，并在编码的逻辑量子位上实现了通用门集的第一个容错演示。

可以说，在容错量子位中，实现基于两个量子位（一个 CNOT门，即量子受控非门）和一个逻辑T门的计算操作难以进行。但该研究在离子阱量子计算机上实现了通用量子门集，这对于容错量子计算机的发展具有重大意义。

研究人员使用的辅助量子位被称为“flag量子位”这些量子位专注于检测小错误可能增长为无法纠正的大错误的事件。奥地利因斯布鲁克大学量子物理学家Lukas Postler表示，理论上，flag量子比特应该减少容错量子计算机所需的辅助量子比特的数量。

“我认为这项工作最令人兴奋的方面是，尽管电路的复杂性更高，但与非容错逻辑操作相比，我们看到容错逻辑操作的质量有所提高，”Postler说。研究人员指出，这些发现可能有助于为容错通用量子计算机铺平道路。

审核编辑 ：李倩