受纠错保护的量子位：容错量子计算机发展的里程碑

排列成晶格的量子粒子构成了容错量子处理器的基础。

甚至计算机也可能计算错误。小小的干扰已经改变了存储的信息并破坏了结果。这就是为什么计算机使用各种方法来不断纠正此类错误的原因。

在量子计算机中，可以通过将量子信息存储在多个量子粒子中来减少错误的脆弱性。这些逻辑量子位对错误不太敏感。

近年来，理论家开发了许多不同的纠错码，并针对不同的任务对其进行了优化。因斯布鲁克大学实验物理系的托马斯·蒙兹（Thomas Monz）解释说：“量子误差校正中最有前途的代码是在二维晶格上定义的代码。”“这是由于这样一个事实，即当前的量子计算机的物理结构可以通过这种晶格很好地映射。”

借助代码，逻辑量子位可以分布在多个量子对象上。因斯布鲁克的量子物理学家现在首次成功地纠缠了以这种方式编码的两个量子位。两个量子位的纠缠是量子计算机的重要资源，与传统计算机相比，它们具有性能优势。

一种量子缝纫机

对于他们的实验，物理学家使用具有十个离子的离子陷阱量子计算机。逻辑量子位被编码到这些离子中。使用科学家称为“晶格手术”的技术，可以将“编码在一起”的两个逻辑量子位“缝合在一起”。因斯布鲁克团队的亚历山大·埃哈德（Alexander Erhard）解释说：“通过以这种方式缝合在一起的量子比特创建了一个新的更大的量子比特。”反过来，可以通过晶格手术将一个大的逻辑量子位分为两个独立的逻辑量子位。

与两个逻辑量子位之间的标准操作相反，晶格手术仅需要沿编码的量子位的边界进行操作，而无需在其整个表面上进行。理论物理学家Nicolai Friis和Hendrik Poulsen Nautrup解释说：“这减少了在两个编码的量子位之间产生纠缠所需的操作数量。”

容错量子计算机的关键技术

晶格手术被认为是操作未来的容错量子计算机的关键技术之一。托马斯·蒙兹（Thomas Monz）和赖纳·布拉特（Rainer Blatt）领导的物理学家，以及因斯布鲁克大学理论物理系的理论物理学家亨德里克·普尔森·纳特鲁普（Hendrik Poulsen Nautrup）和汉斯·布里格尔（Hans Briegel），以及量子光学和量子信息研究所（IQOQI）的尼古拉·弗里斯（Nicolai Friis）维也纳奥地利科学院的）现在已经证明了两个编码的量子位之间发生纠缠。

这是拓扑编码的量子位之间非经典相关性的第一个实验性实现。此外，研究人员能够首次证明两个编码量子位之间的量子态的隐形传态。

参考：亚历山大·埃哈德（Alexander Erhard），亨德里克·普尔森·瑙特鲁普（Hendrik Poulsen Nautrup），迈克尔·梅斯，卢卡斯·波斯特勒，罗马·斯特里克，马丁·史达德勒，弗拉德·内格内维茨基，马丁·林鲍尔，菲利普·辛德勒，汉斯·J·布里格尔，雷纳·布拉特，尼古拉·弗里斯和托马斯·蒙兹，2021年1月13日，自然。DOI：
10.1038 / s41586-020-03079-6

这项研究得到了奥地利科学基金会FWF，研究促进局FFG以及欧盟的财政支持。