物理学家实时跟踪量子误差

一组科学家解决了量子错误校正的第一步，成功地实时识别了错误。

耶鲁大学的科学家已经证明了跟踪实际量子错误的能力，这是开发可靠的量子计算机的重要一步。他们在《自然》杂志上报告了他们的结果。

量子计算机可以显着提高现代计算机的计算能力，但是一个主要问题仍然存在：信息丢失或量子错误。为了消除错误，物理学家必须能够检测出已经发生的错误，然后实时进行纠正，这一过程称为量子错误纠正。

“百分之九十九的量子计算将纠正错误，”耶鲁大学物理学家，应用物理与物理教授斯特林科夫（Rob Schoelkopf）解释说。“证明有效的纠错是构建量子计算机所面临的最大挑战。”

标准计算机中的数据以0或1的位存储，称为经典状态。他们对周围的环境不敏感。相反，量子计算机依靠量子位或量子位来将数据存储在第三种非常脆弱的状态（称为量子状态），即同时叠加0和1。量子位环境的变化会迫使其恢复为0或1的经典状态之一。当一个量子比特离开量子态时，它也会丢失它所携带的数据。

在这项新研究中，Schoelkopf小组和其他耶鲁大学合作者解决了量子纠错的第一步-通过报告原子成功识别出发生的错误。

实时识别量子计算错误尤其具有挑战性：量子位是如此脆弱，以至于搜索错误会导致更多错误。为了确定是否发生错误，Schoelkopf和他的团队依靠了一个辅助分子或一个更稳定的报告原子，该辅助原子在不破坏状态的情况下检测到错误，并将该信息传递给计算机上的科学家。

在他们的实验过程中，科学家们使用了一个超导盒，里面装有辅助剂和未知数量的光子或轻粒子，它们被冷却到°大约-459F，比绝对零值高出一小部分。这最小化了由环境引起的量子误差。然后，研究小组随时间跟踪盒子中的光子，以查看光子是否以及何时逃逸。从盒子中丢失光子表明信息丢失，或者发生了量子错误。

需要在不了解超导盒中确切条件（包括光子数量）的情况下检测错误，因为确定框中的条件可能会破坏量子位量子态并导致更多错误。因此，ancilla仅实时报告光子奇偶性-盒子中是否存在偶数或奇数个量子光子。奇偶校验的变化（例如，从偶数变为奇数）表示丢失了一个光子，而没有显示盒子是从六个光子变为五个光子，还是从四个光子变为了三个光子。

该团队在他们的第一个实验中获得了成功，并首次演示了实时跟踪自然发生的错误，这是真正的量子计算机所需要的。

耶鲁大学研究生和合著者安德烈·彼得伦科（Andrei Petrenko）说：“我们会看到错误的发生。”“我们实际上可以在屏幕上观察到我们希望看到的各种图案。”

Schoelkopf说：“这项成功使我们更有前进的信心。”

耶鲁大学的团队现在正在研究如何解决错误，量子错误校正的第二步以及功能性量子计算机的基本功能。

Schoelkopf说：“很难估计要等到我们拥有功能性量子计算机之前，还要多长时间，但是会比我们想象的要早。”

这项工作的其他作者包括L.Sun，Z.Leghtas，B.Vlastakis，G.Kirchmair，KM Sliwa，A.Nalla，M.Hatridge，S.Shankar，J.Blumoff，L.Frunzio，M.Mirrahimi MH德沃雷特（MH Devoret）。

出版物：L. Sun等人，“通过重复的量子非爆破奇偶性测量跟踪光子跃迁”，《自然》，2014年； doi：10.1038 / nature13436

研究报告的PDF副本：通过重复的量子非爆破奇偶性测量跟踪光子跃迁

图像：SHutterstock的纳米技术处理器