物理学家在纠缠状态中编码一个量子位，分布在几个粒子上

用于编码一个逻辑量子位的该7离子系统可用作大量较大量子系统的构建块。格子越大，它变得越强大。（插图：iqoqi / harald ritsch）

物理学家在分布于7个捕获离子Qubits的纠缠状态中，物理学家在纠缠状态中被实验编码了一个纠缠状态，并证明了代码检测一个位翻转，相页或两者的组合误差的能力，而不管它们发生了哪些。

在密切的协作努力中，西班牙语和奥地利物理学家在分布在多个粒子上的缠绕状态中已经尝试编码了一个量子位（QUBit），并且首次对其进行了简单的计算。7-qubit量子寄存器可用作校正任何类型错误的量子计算机的主构件块。研究人员现在已经发表在科学中。

偶数计算机均易于出错。最轻微的干扰可能会改变保存的信息，并伪造计算结果。为了克服这些问题，计算机使用特定的例程来持续检测和纠正错误。这也适用于未来的量子计算机，这也需要纠错程序：“量子现象非常脆弱和容易出错。错误可以迅速传播，严重打扰电脑，“因斯布鲁克大学实验物理研究所的Rainer Blatt研究组成员托马斯·莫兹说。与MarkusMüller和Miguel Angel Martin-Delgado一起从Madrid的合作大学的理论物理系中，Innsbruck的物理学家开发了一种新的量子误差校正方法，并通过实验测试了它。“量子位非常复杂，无法简单地复制。此外，微观量子世界中的错误比传统计算机更替换，更易于纠正，“莫斯强调。“要在量子计算机中检测和校正一般误差，我们需要高度复杂的所谓量子误差校正代码。”Martin-Delgado在马德里的研究小组提出了用于此目前实验的拓扑代码。它在二维格子上布置Qubits，在那里它们可以与相邻粒子相互作用。

在七个离子中编码的量子位

对于Innsbruck大学的实验，物理学家将七个钙原子限制在离子阱中，这使得它们将这些原子冷却至几乎绝对的零温度并通过激光束精确地控制它们。研究人员在这些颗粒的缠结状态中编码了一个逻辑量子态的脆性量子状态。Quantum纠错代码为此过程提供了程序。“在七个物理额度中编码逻辑量子票是一个真正的实验挑战，”Rainer Blatt的研究组成员Daniel Nigg涉及。物理学家在三个步骤中实现了这一点，其中在每个步骤的激光脉冲序列中用于产生四个相邻Qubits之间的纠缠。“首次通过以受控方式分配其7种原子以70多个原子分配信息，我们首次能够编码单个量子位，”一位激动的马克斯米尔说，这是从Innsbruck迁往马德里的共和语大学。“当我们以这种特定方式缠绕原子时，它们为后续纠错和可能的计算提供了足够的信息。”

无错误运营

在另一个步骤中，物理学家测试了代码的能力来检测和纠正不同类型的错误。“我们已经证明，在这种类型的量子系统中，我们能够独立地检测并校正每个粒子的每个可能的错误，”Daniel Nigg说。“为了做到这一点，我们只需要有关粒子之间的相关性的信息，并且不必进行单个粒子的测量，”Daniel Nigg的同事Esteban Martinez解释说。除了可靠地检测单个错误之外，物理学家首次能够在逻辑编码的qubit上应用单个甚至重复操作。一旦克服了复杂编码过程的障碍，每个栅极操作都需要简单的单态栅极操作。“通过这种量子代码，我们可以实现基本的量子操作并同时纠正所有可能的错误，”托马斯·莫兹在朝向可靠和容错量量子计算机的路线上解释了这一重要的里程碑。

未来创新的基础

西班牙和奥地利物理学家开发的这种新方法构成了未来创新的有希望的基础。“应用于编码一个逻辑量子位的这种7离子系统可以用作大量较大量子系统的构建块，”理论物理学家Müller说。“格子越大，它变得越强烈。结果可能是量子计算机，可以执行任何数量的操作而不被错误阻碍。“目前的实验不仅开辟了新的技术创新路由：“这里，完全新的问题提出来，例如，可以首先使用哪种方法来表征这种大型逻辑量子位，”Rainer Blatt表示未来。“此外，我们还想协作开发使用的量子代码，进一步优化它们，以便更广泛的操作，”Martin-Delgado增加。

研究人员由西班牙科学部，奥地利科学基金，美国政府，欧洲委员会和奥地利行业联合会提供资金。

出版物：Daniel Nigg，等，“拓扑编码Qubit上的量子计算”，Science Express，2014; DOI：10.1126 / Science.1253742

研究报告的PDF副本：在拓扑上编码的量子位上的实验量子计算

图像：iqoqi / harald ritritch