可糾正由量子位丟失引起的錯誤-可能是開發大型量子計算機的關鍵

2020-09-16 工程學習

該研究小組開發並實施了一種新協議，該協議可以在量子位丟失導致的錯誤情況下保護和糾正易碎的量子信息。圖片來源：Harald Ritsch / IQOQI

甚至量子計算機也會犯錯誤。他們的計算能力非常出色；實際上，它遠遠超過了傳統計算機。這是因為量子計算機中的電路是基於量子位的，這些量子位不僅可以表示0或1，而且可以利用量子力學原理表示0和1狀態的疊加。儘管具有很大的潛力，但由於與外部環境的相互作用，量子位仍然非常脆弱並且容易出錯。

為了解決這個關鍵問題，一個國際研究小組開發並實施了一種新協議，該協議可以在量子位丟失引起的錯誤情況下保護和糾正易碎的量子信息。該研究小組在《自然》雜誌上發表了他們的研究結果。

該研究的作者之一，博洛尼亞大學的研究員戴維德·沃多拉（Davide Vodola）解釋說：「開發功能全面的量子處理器仍然是全世界科學家面臨的巨大挑戰。」 「這項研究使我們第一次實現了一種協議，該協議可以檢測並同時糾正由於量子位丟失引起的錯誤。這種能力可能被證明對於大規模量子計算機的未來發展至關重要。」

我們知道，量子處理器對計算誤差表現出一定的容忍度。但是我們對如何防止和糾正由於完全或部分丟失量子比特而導致的錯誤知之甚少。

當量子計算機詳細說明數據時，某些量子位可能會從量子寄存器中完全丟失，或者會轉變為不需要的電子狀態。這兩個過程的結果都是一種損失，可能會使量子處理器失去作用。因此，設計能夠分析和減輕這些錯誤後果的基於理論和實驗的技術非常重要。

「解決這個問題，我們的研究小組所做的第一件事就是開發一種有效的理論方法來解決這個問題，」 Vodola說。「我們設法證明，存儲在帶有某些量子位的寄存器中的信息可以得到保護，並在這些量子位之一丟失的情況下可以完全檢索。」

然後，研究小組在現實生活中的量子處理器中實現了該協議。但是，這一點都不容易。實際上，為了評估量子位是否丟失，對其的直接測量將破壞量子寄存器中包含的所有信息。

該研究小組提出了一個解決方案，即使用一個額外的量子位作為探針，可以在不改變計算過程的情況下評估其他量子位的存在與否。這個想法行之有效，使研究人員能夠成功地實時測試其協議。

Vodola證實：「我們對因斯布魯克大學的俘獲離子量子處理器上的測試結果感到滿意，」 「相同的協議可以在其他研究中心或私人機構當前正在開發的不同量子計算機體系結構中實現。」

這項研究的標題為「實驗確定性校正量子比特損失」，並發表在《自然》雜誌上。由奧地利因斯布魯克大學領導的研究小組進行了這項實驗；研究人員分別是Rainer Blatt和Thomas Monz（捕獲離子量子處理器團隊的負責人），Roman Stricker，Martin Ringbauer和Phillip Schindler，他們進行了這項實驗。博洛尼亞大學物理與天文學系的研究員Davide Vodola和德國亞琛工業大學的MarkusMüller也參加了這項研究。

參考：Roman Stricker，Davide Vodola，Alexander Erhard，Lukas Postler，Michael Meth，Martin Ringbauer，Philipp Schindler，Thomas Monz，MarkusMüller和Rainer Blatt的「實驗確定性校正比特丟失」，《自然》。
DOI：10.1038 / s41586-020-2667-0

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