容錯量子計算實(shí)現基本構建模塊 可實(shí)現任何可能操作

據25日發(fā)表在《自然》雜志上的論文，由奧地利因斯布魯克大學(xué)實(shí)驗物理系的托馬斯·蒙茲、德國亞琛工業(yè)大學(xué)的馬庫斯·穆勒和德國于利希研究中心領(lǐng)導的團隊展示了容錯量子計算的基本構建模塊，首次成功地實(shí)現了對兩個(gè)邏輯量子位的一組計算操作，可以用來(lái)實(shí)現任何可能的操作，意味著(zhù)無(wú)差錯量子計算機或將成為現實(shí)。

量子計算機本質(zhì)上更容易受到來(lái)自環(huán)境的干擾，因此可能總是需要糾錯機制，否則錯誤將在系統中不受控制地傳播，信息將丟失。量子不可克隆定理表明，對任意一個(gè)未知的量子態(tài)進(jìn)行完全相同的復制的過(guò)程是不可實(shí)現的，因此可以通過(guò)將邏輯量子信息分配到多個(gè)物理系統的糾纏態(tài)來(lái)實(shí)現冗余，例如多個(gè)單獨的原子。

因斯布魯克實(shí)驗物理學(xué)家盧卡斯·波斯勒解釋說(shuō)：“對于現實(shí)世界的量子計算機，我們需要一套通用的門(mén)，用它我們可以對所有算法進(jìn)行編程。”

研究團隊在具有16個(gè)被捕獲原子的離子阱量子計算機上實(shí)現了這個(gè)通用門(mén)集。量子信息存儲在兩個(gè)邏輯量子位中，每個(gè)量子位分布在七個(gè)原子上。

現在，研究人員首次可以在這些容錯量子位上實(shí)現兩個(gè)計算門(mén)，這對于通用門(mén)集是必要的：對兩個(gè)量子位進(jìn)行作用的門(mén)(一個(gè)控—非門(mén))和一個(gè)邏輯T門(mén)，這在容錯量子位上特別難實(shí)現。

物理學(xué)家們通過(guò)在邏輯量子位中準備了一個(gè)特殊的狀態(tài)，并通過(guò)糾纏門(mén)操作將其傳送到另一個(gè)量子位來(lái)演示了T門(mén)。

在編碼的邏輯量子位中，存儲的量子信息受到保護，不會(huì )出錯。但是如果沒(méi)有計算操作，這是沒(méi)有用處的，而且這些操作本身很容易出錯。于是，研究人員對邏輯量子位進(jìn)行了操作，這樣就可以檢測和糾正由底層物理操作造成的錯誤。因此，他們在編碼的邏輯量子位上實(shí)現了第一個(gè)通用門(mén)集合的容錯實(shí)現。

容錯的實(shí)現比非容錯需要更多的操作。這將在單個(gè)原子的尺度上引入更多的誤差。工作量和復雜性增加了，但產(chǎn)生的質(zhì)量更好。研究人員還使用經(jīng)典計算機上的數值模擬來(lái)檢查和確認他們的實(shí)驗結果。

研究人員已經(jīng)展示了在量子計算機上進(jìn)行容錯計算的所有基礎?，F在的任務(wù)是在更大的、更有用的量子計算機上實(shí)施這些方法。在離子阱量子計算機上演示的這種方法也可以用于其他量子計算機的體系結構。(科技日報實(shí)習記者 張佳欣)

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