科學(xué)日報報道，近日西班牙和奧地利的物理學(xué)家們密切合作， 對分布在一些粒子之間的量子糾纏態(tài)進行了實驗性量子比特(qubit)編碼，并首次對它進行了簡單的計算。這個七量子比特的量子寄存器可以被用作量子計算機的基本建構(gòu)單元，后者能夠?qū)θ魏晤愋偷腻e誤進行糾正。研究人員的研究結(jié)果被發(fā)表在期刊《科學(xué)》上。

量子計算機能夠?qū)θ魏晤愋偷腻e誤進行糾正

即使是計算機也易于出錯。最細微的干擾都可能改變已保存的信息并篡改計算結(jié)果。為了克服這些問題，計算機會運行特定的日常活動以持續(xù)的檢測和糾正錯誤。對于未來的量子計算機也是如此，它也需要糾錯程序：“量子現(xiàn)象非常脆弱也易于出錯。錯誤可能會迅速的傳播并嚴(yán)重的擾亂計算機，”奧地利因斯布魯克大學(xué)實驗物理研究所的科學(xué)家瑞納·布拉特(Rainer Blatt)帶領(lǐng)的研究小組的成員托馬斯·莫恩滋(Thomas Monz)這樣說道。

與西班牙馬德里康普頓斯大學(xué)理論物理學(xué)學(xué)院的馬庫斯·穆勒(Markus Müller)以及米格爾·安吉爾·馬丁-德爾加多(Miguel Angel Martin-Delgado)密切合作，因斯布魯克大學(xué)的物理學(xué)家們修訂了一套新的量子糾錯方法，并對它進行了實驗性的測試。“量子比特極其復(fù)雜，且無法簡單的復(fù)制。此外，這些微觀量子世界里的錯誤是多方面的，比傳統(tǒng)計算機里的糾錯要更加困難。” 莫恩滋這樣強調(diào)道。“為了在量子計算機里檢測并糾正錯誤，我們需要高度成熟的所謂的量子糾錯碼。” 目前實驗里所使用的拓撲碼是由馬德里馬丁-德爾加多帶領(lǐng)的科研小組提出的。 量子比特被分布在二維的晶格里，它們可以與臨近的粒子發(fā)生相互作用。

七個離子里編碼的量子比特

在因斯布魯克大學(xué)進行的實驗里，物理學(xué)家將七個鈣原子限定在一個離子阱里，使得后者能夠?qū)⑦@些原子冷卻到接近絕對零度并通過激光束對它們進行精確的控制。研究人員將單獨的邏輯量子比特編碼成糾纏態(tài)的量子，而量子糾錯碼為這個程序提供了這樣的編碼過程。“對七個物理量子比特的邏輯量子比特進行編碼是一項真正的實驗性挑戰(zhàn)，”瑞納·布拉特的研究小組成員丹尼爾·尼格(Daniel Nigg)這樣說道。物理學(xué)家通過三個步驟實現(xiàn)了這一目標(biāo)，在每一個步驟里都使用了復(fù)雜的激光脈沖序列以創(chuàng)造四個臨近量子比特的糾纏。“通過以一種可以控制的方式擾亂七個原子里單一量子比特的信息，我們首次實現(xiàn)了對單一量子比特的編碼，” 馬庫斯·穆勒激動的說道。“當(dāng)我們以這樣特定的方式實現(xiàn)原子糾纏，它為接下來的糾錯和可能的計算提供了足夠多的信息。”

無錯誤的操作

在另外一個步驟里，物理學(xué)家測試了這一編碼檢測和糾正不同類型的錯誤的能力。“我們論證了在這樣的量子系統(tǒng)里，我們能夠獨立的檢測和糾正每一個粒子里可能的錯誤，” 丹尼爾·尼格說道。“我們只需要這些粒子之間關(guān)聯(lián)性的信息，無需對單一粒子進行測量。”尼格的同事埃斯特班·馬丁內(nèi)斯(Esteban Martinez)這樣解釋道。除了可靠的檢測單一錯誤，物理學(xué)家們還首次對邏輯編碼的量子比特進行了單一甚至迭代運算。一旦克服了復(fù)雜編碼過程的障礙，每一個單一的門運算只需要簡單的單一量子比特門運算就足夠。“利用這種量子編碼，我們可以執(zhí)行基本的量子操作并同時糾正所有可能的錯誤，” 莫恩滋這樣說道。他將這看做是通向可靠容錯的量子計算機的道路的重要里程碑。

未來創(chuàng)新的基礎(chǔ)

由西班牙和奧地利物理學(xué)家開發(fā)的新方法組成了未來革新的基礎(chǔ)。“這種應(yīng)用于編碼單個邏輯量子比特的7離子系統(tǒng)可以作為更大的量子系統(tǒng)的建構(gòu)單元，”理論物理學(xué)家穆勒這樣說道。“晶格越大，它將變得越穩(wěn)健。產(chǎn)生的結(jié)果可能是能夠進行任何數(shù)量的運算且不受到錯誤阻礙的量子計算機。”

目前的實驗不僅打開了技術(shù)革新的新方向，“還會產(chǎn)生新的問題，例如首先將應(yīng)用哪種方法來描繪這樣的大邏輯量子比特，” 瑞納·布拉特這樣說道。“此外我們計劃進一步合作研發(fā)所使用的量子編碼，實現(xiàn)最優(yōu)化以用于更廣泛的運算。” 馬丁-德爾加多補充說道。