如何构建容错量子计算机

从理论上讲，量子计算机可以解决在宇宙生命周期内任何普通计算机都无法解决的问题。然而，还需要大量的工程和技术将其“理论上”转化为实际开始实现这一承诺的工作量子设备。首先，量子计算机必须能够克服自身对错误的脆弱性。但现在，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。

经典计算机通过打开或关闭晶体管来将数据表示为1或0，而量子计算机使用量子位或“量子位”，由于量子物理的模糊性，它们可以同时处于叠加状态，即它们同时为1和0。这本质上让每个量子比特一次执行多个计算。

理论上，量子比特可以连接在一起，形成通用量子计算机，可以执行任何潜在的量子计算。量子力学连接或纠缠的量子位越多，它们同时可以执行的计算就越多。

根据研究人员在5月25日出版关于日记自然在美国，目前最先进的量子计算机通常每1000次操作就会出现一次错误。然而，许多实际应用需要错误率降低了十亿分之一甚至更多．

科学家们通常希望通过将量子信息分散到许多冗余量子比特来弥补这些高错误率。这将有助于量子计算机检测和纠正错误，这样一个由1000个左右的“物理量子比特”组成的集群，即研究人员迄今为止开发的那种量子比特，就可以组成一个有用的“逻辑量子比特”。重要的是，“逻辑量子比特”是一种抽象概念，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，而是作为一个能够执行实际计算的实体，并被扩展到多个物理量子位。

然而，构建一个容错量子计算机需要的不仅仅是扩大到数千个物理量子比特。量子计算机也将需要各种辅助量子比特。

当两个逻辑量子位在量子逻辑门(传统计算机用于执行计算的逻辑门的量子计算版本)中连接时，科学家希望确保逻辑量子位中的每个物理量子位仅与另一个逻辑量子位中的一个物理量子位相互作用。这限制了物理量子比特出现错误时可能发生的中断。这样做需要辅助量子位来监控这些潜在的错误，增加了这些系统的复杂性。

现在，科学家们首次开发出一种量子计算机，可以以容错的方式执行通用操作。在这项新研究中，研究人员实验了一台具有16个物理量子位的量子计算机，每个量子位由一个电捕获的钙离子组成。量子信息存储在两个逻辑量子比特中，每个量子比特分布在七个物理量子比特中。

这些逻辑量子位由所谓的横向逻辑CNOT门连接，它将一个逻辑量子位中的每个物理量子位与另一个逻辑量子位中的对应物理量子位连接起来。研究人员还在“T门”中使用了两个辅助量子比特，以帮助监测错误。

研究人员使用的这种辅助量子比特被称为“标志量子比特”。这些量子位专注于检测事件，在这些事件中，微小的错误可能会发展成不可纠正的重大错误。奥地利因斯布鲁克大学(University of Innsbruck)的量子物理学家、该研究的主要作者卢卡斯·波斯特勒(Lukas Postler)说，理论上，标记量子比特应该会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。