在实用量子计算机的道路上,最大的障碍之一是当今设备的易错性。现在,谷歌提供了一个实验演示,演示如何纠正这个问题,并将其扩展到更大的设备上。

量子计算机的能力来自于它们操纵奇异量子态的能力,但这些态非常脆弱,很容易受到噪声源(如热量或电磁场)的干扰。这可能会在计算中引入错误,人们普遍认为,在这些设备能够进行任何严肃的工作之前,需要在这些设备中内置错误校正功能。

问题是,对量子计算机来说,最明显的检查错误的方法是不可行的。与普通的二进制位不同,量子的核心是量子位电脑可以以一种称为叠加的状态存在,在这种状态下它们的值可以是01同时.任何测量量子位的尝试都会导致这种状态崩溃为0或1,从而使所涉及的任何计算脱轨。

得到一个围绕这个问题,科学家们转向了另一种量子现象纠缠哪一个从本质上连接两个或多个量子位元的状态。这可以用来把许多量子位集合在一起,创建一个“逻辑量子位”,对单个叠加进行编码。从理论上讲,这使得检测和纠正单个物理量子位中的错误成为可能,而逻辑量子位的整体值不会损坏。

为了检测这些错误,编码叠加的所谓的“数据量子位元”也与其他所谓的“测量量子位元”纠缠在一起。通过测量这些量子位,就有可能计算出相邻的数据量子位是否出现了错误,是什么样的错误,并在理论上纠正它,而实际上不需要读取它们的状态,也不需要干扰逻辑量子位的叠加。

虽然这些想法并不新鲜,但迄今为止,实施起来仍是难以捉摸的,而且该计划的有效性仍存在一些问号。但现在谷歌已经在其52量子位的Sycamore量子处理器中展示了这种方法,并表明它应该扩大规模,以帮助构建未来的容错量子计算机。

创建一个逻辑量子位依赖于所谓的稳定码,稳定码执行必要的操作,将各种物理量子位连接在一起,并定期检查错误。在他们的论文在自然,谷歌的研究人员描述如何试验了两种不同的代码:一种创造了一长串交替的数据量子位和测量量子位,另一个则创造了两种不同类型的2D晶格。

团队开始执行线性代码5物理量子位,然后逐渐扩大到21。至关重要的是,他们首次证明了增加更多的量子位会导致抑制错误的能力呈指数级增长,这表明随着可用量子位的增加,逻辑量子位可以维持的时间应该会显著增加。

不过,有还有很长的路要走.首先,他们只是检测到错误,并没有真正测试纠正任性量子位的过程。而线性码可以检测出两种主要类型的错误-位翻转和相位翻转——它不能同时做这两件事。

他们尝试的第二个代码能够检测这两种错误,但很难将这些检测映射到纠正。这种设置也更容易出错本身,在这种方法能够证明错误抑制之前,物理量子位的性能必须得到改善。

然而,这种基于格的方法是“表面代码”的小规模试验,谷歌相信它将最终解决未来的错误校正问题大型量子计算机.虽然目前还没有,但研究人员表示,误差抑制已经在阈值的触手可及范围内。

他们最后指出,实际的量子计算可能需要1000个物理量子位对应一个逻辑量子位,因此底层硬件还有很长的路要走。但这项研究表明,纠错的基本原理是可靠的,并将能够在未来支持更大的量子计算机。

图片来源:罗科Ceselin/谷歌

我是一名自由科技作家,住在印度班加罗尔。我主要感兴趣的领域是工程、计算机和生物学,特别关注这三者之间的交叉。

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