美國谷歌公司的物理學家們在向保護量子計算機中微妙信息不被錯誤抹殺方面邁出了重要的一步。雖然，研究人員還不能彌補所有類型的錯誤——這是建造一個成熟量子計算機的必要步驟，但該實驗演示或為可擴展容錯量子計算機的開發(fā)鋪平了道路。7月14日，相關(guān)論文刊登于《自然》。

　　20多年來，物理學家和工程師一直致力于開發(fā)量子計算機，這種計算機有朝一日可能會解決任何傳統(tǒng)計算機無法解決的問題，比如破解目前用于保護互聯(lián)網(wǎng)信息的加密方案。從智能手機到超級計算機，傳統(tǒng)計算機在0和1的二進制系統(tǒng)上運行，稱為比特。相比之下，量子計算機在量子比特上運算，量子比特可以被設(shè)置為0、1，或者同時設(shè)置為0和1的任意混合，比如30% 0和70% 1。

　　然而，量子計算機和經(jīng)典計算機一樣，很容易出現(xiàn)由底層物理系統(tǒng)“噪聲”引起的錯誤。處理這些錯誤是一項艱巨的挑戰(zhàn)。普通計算機可以通過簡單地復(fù)制比特，并使用這些副本來驗證正確狀態(tài)進而防止錯誤。但量子計算機無法做到這一點，因為量子力學禁止將一個量子比特的未知狀態(tài)復(fù)制給其他量子比特。

　　目前，一種解決辦法是在計算機操作中加入一種能在錯誤出現(xiàn)時發(fā)現(xiàn)并糾正這些錯誤的方法。另一種量子糾錯方法使用量子糾錯碼，通過將多個量子比特當作一個邏輯量子比特，從而在不破壞邏輯量子比特中存儲信息的情況下，發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤。為了實現(xiàn)量子計算的潛力，邏輯錯誤率必須保持在很低的水平。

　　于是，研究人員將數(shù)據(jù)量子比特與所謂的輔助量子比特交錯，并在每個輔助者及其鄰居之間建立了一種稱為糾纏的量子鏈路。通過反復(fù)測量輔助量子比特，研究人員可以判斷相鄰的數(shù)據(jù)量子比特是否相互翻轉(zhuǎn)——而無需直接測量數(shù)據(jù)量子比特。

　　谷歌物理學家、該論文通訊作者Julian Kelly和同事，研究了量子處理器“懸鈴木”的量子糾錯能力。“懸鈴木”包含一個54超導(dǎo)量子比特的二維陣列。研究人員運行了兩種量子糾錯碼，一種是最多由21個量子比特組成的一維鏈重復(fù)碼，用來測試錯誤抑制能力；另一種是由7個量子比特組成的二維表面碼，作為與更大碼的設(shè)置相容性的原理驗證實驗。

　　研究表明，將重復(fù)碼基于的量子比特數(shù)量從5個提高到21個，對邏輯錯誤的抑制實現(xiàn)了最多100倍的指數(shù)增長。這種錯誤抑制能力在50次糾錯實驗中均表現(xiàn)穩(wěn)定。

　　但Kelly表示，盡管如此，該團隊只是在走向完全糾正錯誤的中途。首先，研究人員沒有將翻轉(zhuǎn)的物理量子比特推回到最初狀態(tài)。

　　更重要的是，該團隊不能同時解決兩種可能影響量子比特的錯誤：比特翻轉(zhuǎn)(交換量子態(tài)的0和1部分)和相位翻轉(zhuǎn)(改變了0和1部分在數(shù)學上的嚙合方式)。在任何給定的實驗中，研究人員只能抑制其中一種錯誤。

　　英國倫敦帝國理工學院的Peter Knight表示，谷歌的研究正在朝著未來量子計算機所必需的某些東西邁進�！耙驗槿绻麤]有這個進步，人們?nèi)匀粺o法確定通向容錯的路線圖是否可行�！钡�他表示，要真正建立有效的糾錯機制將是一個巨大的挑戰(zhàn)，這意味著要構(gòu)建一個擁有更多量子比特的處理器。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03588-y