量子计算的突破：新的检测工具揭示可以杀死Qubits的“噪音”

麻省理工学院和达特茅斯学院的研究人员开发了一种检测可能破坏Qubits脆弱量子叠加状态的非高斯“噪声”的新特征的工具，这是量子计算机的基本组件。

MIT和Dartmouth College研究人员首次证明了一种检测可能破坏脆弱量子Qubits的脆弱量子状态的新特征的工具，这是量子计算机的基本组件。前进可以提供对微观噪声机制的见解，以帮助工程师保护Qubits的新方法。

Qubits可以表示与经典二进制位，0或1对应的两个状态。但是，它们还可以同时维持两个状态的“量子叠加”，使得量子计算机能够解决古典计算机实际上不可能的复杂问题。

但Qubit的量子“一致性” - 这意味着它能够保持叠加状态 - 由于Qubit周围的环境噪音可能会崩溃。噪声可以从Qubit材料本身中的控制电子，加热或杂质中出现，并且也可能导致可能难以纠正的严重计算误差。

研究人员开发了基于统计的模型，以估计不需要的噪声源围绕Qubits的影响，以创造保护它们的新方法，并进入噪声机制本身的洞察力。但是，这些工具通常捕获简单的“高斯噪声”，基本上是来自大量来源的随机中断的集合。简而言之，这就像是一群大人群的粗糙度的白噪声，那里没有具体的破坏性模式突出，所以Qubit并不受任何一个特定来源的影响。在这种类型的模型中，噪声的概率分布将形成标准对称的钟曲线，无论辛勤贡献者的统计显着性如何。

在今天发表的论文中，研究人员描述了一个新工具，这是第一次衡量影响量子位的“非高斯噪声”。这种噪声具有各种模式，通常源于几个特别强的噪声源。

研究人员设计了从背景高斯噪声分离该噪声的技术，然后使用信号处理技术来重建关于这些噪声信号的高度详细信息。这些重建可以帮助研究人员构建更现实的噪声模型，这可以实现更强大的方法来保护来自特定噪声类型的Qubits。研究人员现在需要这样的工具：额度越来越少，缺陷较少，这可能会增加非高斯噪声的存在。

“这就像在拥挤的房间里。如果每个人都用相同的音量说话，那么有很多背景噪音，但我仍然可以保持自己的对话。但是，如果少数人在尤其大声地说话，我忍不住锁定了他们的谈话。它可能会非常分散注意力，“电气工程师和计算机科学副教授威廉奥利斯表示，物理学，MIT林肯实验室研究员的实践教授，以及电子（RLE）研究实验室的副主任。“对于具有许多缺陷的额度，有噪音可以消失，但我们普遍知道如何处理该类型的聚集类型，通常是高斯噪声。然而，由于Qubits改善并且缺陷较少，史式开始脱颖而出，并且噪音可能不再是高斯性质。我们也可以找到处理方法，但我们首先需要了解特定类型的非高斯噪声及其统计数据。“

“理论物理学家能够设想一个想法并找到一个实验性平台和愿意投资它的实验平台和实验同事是不常见的，”达特茅斯物理学教授联合作用的Lorenza Viola说。“能够通过麻省理工学院团队那么重要的结果。”

在论文中加入奥利弗和中提琴是：第一作者Youngkyu Sung，Fei Yan，杰克Y.邱，UwevonLüpke，特里P. Orlando，以及Simon Gustavsson，所有RLE; David K. Kim和Jonilyn L.林肯实验室的yoder;和弗莱斯·弗莱顿·贝德林和佛罗里斯州诺斯·北诺里斯。

脉冲过滤器

对于他们的工作，研究人员利用了超导Qubits是用于检测自己的噪音的好传感器。具体地，它们使用“磁通”量子位，其包括超导环，其能够从其周围环境检测称为磁通量的特定类型的破坏性噪声。

在实验中，通过注入扰动量子位的工程磁通噪声来诱导非高斯“相对”噪声，并使其失去相干性，然后又用作测量工具。“通常，我们希望避免转移，但在这种情况下，Qubbit Cofoheres如何在环境中讲述一些关于噪音的东西，”奥利弗说。

具体而言，它们拍摄110“PI-脉冲” - 用于将Qubits状态翻转 - 在几十微秒内的特定序列中。每个脉冲序列有效地创建了一个窄频率“滤波器”，除非在特定的频带中，掩盖了大部分噪声。通过测量Qubit传感器对带通滤波的噪声的响应，它们在该频带中提取了噪声功率。

通过修改脉冲序列，它们可以向上和向下移动过滤器以在不同频率下对噪声进行采样。值得注意的是，在这样做时，他们跟踪了非高斯噪声明显地使Qubit对Decohere的方式，这提供了非高斯噪声的高维谱。

错误抑制和校正

工作背后的关键创新是仔细的工程脉冲，以充当提取“双谱”属性的特定滤波器，这是一种二维表示，其提供了有关非高斯噪声的独特时间相关性的信息。

基本上，通过重建BISPectrum，它们可以找到在高斯噪声信号中不存在的时滞Qubit上的非高斯噪声信号的性质。一般思想是，对于高斯噪声，两个点之间只会有两个时间点，这被称为“二阶时间相关”。但是，对于非高斯噪声，一个时间点的属性将与多个未来点处的属性直接相关。这种“高阶”相关性是非高斯噪声的标志。在这项工作中，作者能够在三个点之间提取噪声。

此信息可以帮助程序员验证和定制动态错误抑制和用于Qubits的错误校正码，其修复了噪声引起的错误并确保准确计算。

这些协议使用来自噪声模型的信息来使实现对实际量子计算机更有效。但是，因为噪声细节尚未理解，所以今天的纠错码设计有那个标准的钟曲线。通过研究人员的工具，程序员可以衡量他们的代码如何在现实的情况下有效地工作，或者在非高斯噪声中开始为零。

奥利弗说：“如果你知道房间里只有一个响亮的人，那么你会设计一个有效地消除一个人的代码，而不是试图解决每个可能的场景。”

有关这一突破的更多信息，请参阅对量子计算机的噪声消除的新进展。

参考：“非高斯噪声光谱与超导QUBBit传感器”的Youngkyu Sung，FélixBeaudoin，Leigh M. Norris，Fei Yan，David K. Kim，Jok Y.秋，Uwe VonLüpke，Jonilyn L. Yoder，Terry P. Orlando ，西蒙古斯塔夫森，洛伦加中提琴＆威廉D.奥利弗2019年9月16日，自然传播.DOI：
10.1038 / s41467-019-11699-4