量子系統(tǒng)可以運(yùn)行極高 但不能以完美的精度運(yùn)行

量子系統(tǒng)可以以極高的精度運(yùn)行，但不能以完美的精度運(yùn)行。研究人員現(xiàn)在已經(jīng)證明了如何在操作過(guò)程中監(jiān)控和糾正這些操作中的錯(cuò)誤。近年來(lái)，量子計(jì)算領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。漸漸地，量子設(shè)備開(kāi)始挑戰(zhàn)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，至少在一些選定的任務(wù)中。盡管取得了許多進(jìn)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(jì)算中都是不可避免的。這種無(wú)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(gè)實(shí)驗(yàn)中集成了執(zhí)行量子糾錯(cuò)所需的一系列元件，令人興奮。這些結(jié)果今天發(fā)表在《自然》雜志上。

制造不完美的公差

與經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣，量子計(jì)算機(jī)也是由不完美的組件構(gòu)成的，這些組件對(duì)外部干擾更加敏感。這將不可避免地導(dǎo)致執(zhí)行計(jì)算時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，有一個(gè)完整的工具包來(lái)檢測(cè)和糾正這種錯(cuò)誤。量子計(jì)算機(jī)將更加依賴于定位和修復(fù)錯(cuò)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(fù)讀出量子信息，例如檢測(cè)錯(cuò)誤所需的信息，并實(shí)時(shí)做出反應(yīng)來(lái)扭轉(zhuǎn)這些錯(cuò)誤，這帶來(lái)了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

重復(fù)性能

Home群將量子信息編碼在阱中串聯(lián)的單個(gè)離子的量子態(tài)中。通常，這些弦只包含一種物質(zhì)的離子。但博士生弗拉德內(nèi)格內(nèi)維茨基(Vlad Negnevitsky)和馬特奧馬里內(nèi)利(Matteo Marinelli)以及博士后卡蘭梅塔(Karan Mehta)和其他同事，現(xiàn)在已經(jīng)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(jīng)產(chǎn)生，但是研究小組現(xiàn)在以新的方式使用它們。他們利用了這兩個(gè)物種截然不同的特點(diǎn)。特別是，在他們的實(shí)驗(yàn)中，非常不同的淺色被用來(lái)操縱和測(cè)量鈹和鈣離子。這為研究一個(gè)物種而不干擾另一個(gè)物種開(kāi)辟了道路。同時(shí)，ETH研究人員發(fā)現(xiàn)了一種使不同離子相互作用的方法，即鈣離子的測(cè)量結(jié)果可以生成關(guān)于鈹離子量子態(tài)的信息，而不會(huì)破壞那些脆弱的狀態(tài)。重要的是，當(dāng)鈹離子遇到缺陷和誤差時(shí)，物理學(xué)家會(huì)反復(fù)監(jiān)測(cè)它們。該團(tuán)隊(duì)在同一個(gè)系統(tǒng)上進(jìn)行了50次測(cè)量，但在之前的實(shí)驗(yàn)中(只使用了鈣離子)，這一重復(fù)讀數(shù)僅限于幾輪。

經(jīng)濟(jì)調(diào)整措施

發(fā)現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤是一回事，采取行動(dòng)糾正另一個(gè)錯(cuò)誤是另一回事。為了做到這一點(diǎn)，研究人員開(kāi)發(fā)了一種強(qiáng)大的控制系統(tǒng)，可以根據(jù)偏離目標(biāo)狀態(tài)的程度反復(fù)輕推鈹離子。將離子帶回軌道需要微秒級(jí)的復(fù)雜信息處理。由于該系統(tǒng)使用了經(jīng)典的控制電子器件，現(xiàn)在證明的方法應(yīng)該也適用于基于信息載體而不是俘獲離子的量子計(jì)算平臺(tái)。重要的是，Negnevitsky、Marinelli、Mehta和他們的同事已經(jīng)證明，這些技術(shù)也可以用來(lái)穩(wěn)定兩個(gè)鈹離子共享的糾纏量子態(tài)，這在經(jīng)典物理中沒(méi)有直接的等價(jià)關(guān)系。糾纏是賦予量子計(jì)算機(jī)獨(dú)特能力的一個(gè)因素。此外，這些狀態(tài)還可以用來(lái)提高精確測(cè)量的精度。用于糾錯(cuò)的組件(如現(xiàn)在證明的組件)可以使這些狀態(tài)持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間——這不僅為量子計(jì)算，也為計(jì)量學(xué)提供了有趣的前景。

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