可查错并纠错的量子器件问世
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图片说明:含九个量子比特的器件。此器件由9个超导体transmon排成一行。相邻的量子比特之间相互作用,检测并纠正错误。图片来源:Julian Kelly

在科学家们发明第一台全量子计算机后,计算在复杂度、速度和能效领域都经历了一场巨大革命,传统计算机时代中最强大的机器看上去也像是石器时代的旧机器一样。

但是,在这些发生前,一些量子物理学家,比如加州大学圣塔芭芭拉分校物理系教授John Martinis的实验室成员们,利用量子比特的惊人计算能力制备新型电路,用来弥补由于环境干扰而产生的误差。

在这一具有里程碑意义的时刻,Martinis实验室的研究人员制备出了可自主校验并控制误差的量子电路,可维持量子比特状态并赋予系统高度的可靠性。这些量子电路的研发将为大型超导体量子计算机的构建奠定坚实的基础。

如何保持量子比特的无误差和足够稳定从而多次得到相同的计算结果,是科学家们面临的主要难题。

本文的作者之一Julian Kelly说道:“量子计算最大的挑战之一是量子比特本身就是有缺陷的。因此它会丢失你之前储存的信息。”

传统计算中,计算机比特每次只能占据一个二进制位置(即是或不是,对或错)。而量子比特可以同时占据任意维度的所有位置。这一叠加性质赋予了量子计算机强大的计算能力,但同时使得量子比特易于变化,尤其是当环境不稳定时,计算变得更难处理。

Kelly还说:“当它消失后,信息变得很难处理。”

现在,Kelly和博士后研究人员Rami Barends、Austin Fowler以及Martinis团队的其他人一起克服了这一困难。

Kelly说,误差处理包括搭建一个框架,其中所有的量子比特同时保存信息。为了做到这一点,信息必须在多个量子比特之间存储。

他还说道:“我们搭建了一个包含九个量子比特的体系,用于寻找误差。网格中的量子比特负责保护存储在周围量子比特中的信息。在这样一个重复查错和纠错的体系中,相对于单量子比特而言,它们能对信息进行保护并存储更长的时间。”

Fowler说:“这是首个具有自纠错功能的量子器件。”为了处理复杂的计算,研究人员设想了一台实际的量子计算机,其中需要上亿个量子比特,但是在这之前,需要构建一个强大的自我检查和误差预防系统。

实现量子误差检测和纠正系统的关键是表层编码方案。它仅使用用来测量原数据是否发生变化(如果有的话)的校验信息,而不是将原数据复制,后者是传统计算机中误差检测的一个步骤。按照此方式,原始信息将在未观察的情况下储存在量子比特中。

为什么要这么做?因为量子物理原理。

Barend解释道:“你无法测量一个单量子态,更无法确保它一直保持量子态。”在测量中,将量子比特锁进一个单量子态中,结果它失去了叠加功能。因此,与数独游戏一样,在量子比特阵列中数据的校验值被相邻的量子比特记录,可通过测量周围的量子比特得出此信息。

Kelly说:“因此,需要使用足够的信息来检验误差,但是不需要使用潜在信息并破坏其量子性。”

这一发明代表了物理领域和量子计算理论知识方面的最高水平,在量子计算逻辑下取得了量子比特稳定性和算法的巨大进步。

Barends说:“这具有里程碑意义。因为它意味着人们近几十年所有的想法在真实系统中是可行的。”

Martinis的研究小组继续完善研究以便尽早开发出这一重要的新工具。这一特殊的量子纠错功能被证明可以很好地应对比特翻转问题,但是研究人员又发现了一个新的错误——相翻转,我们可以更长时间地运行纠错循环来判断这一错误是否会出现。(科学之家,译审:XQ Chen)
文章来源: http://phys.org/news/2015-03-first-ever-quantum-device-errors.html
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State preservation by repetitive error detection in a superconducting quantum circuit, DOI: 10.1038/nature14270

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