新的纠错方法可以解决量子计算机中长期存在的一个问题
来源：NIST新闻
量子计算机的设计师们面临着一个主要障碍，即如何纠正潜入处理器运算的错误。美国国家标准与技术研究院（NIST）、马里兰大学和加州理工学院的物理学家们开发了一种新方法，通过设计出能自我纠正的量子记忆开关克服了这个问题。
这个概念图简要介绍了论文中的想法，说明了新的量子位设计的整体概念。光子像水流一样源源不断地流入空腔（#1），光子的波状性质以干涉模式相互作用，形成值0和1的叠加，并将它们存储为量子位信息（#2）。由落入光子流中的记录日志所代表的噪声（#3）可以很容易地破坏普通量子位的干扰模式，但光子的刷新可以保持波的来源强大，使得这种图案在短时间内自我重建（#4），因此能保持量子位信息的稳健性，以抵御一些常见的威胁。（图片来源：B. Hayes/NIST）
2020年12月8日发表在期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的这篇研究论文提出了一种更简单的制造稳定量子比特（量子位）的方法。量子位通常会受到环境干扰和误差的影响，寻找纠正这些错误的方法是量子计算机开发中的一个主要问题，但是研究团队的量子位设计方法可以绕过这个问题。“纠错会使本已复杂的情况变得更加复杂。通常要求你构建附加量子位，利用附加测量发现错误，所有这些通常都会需要大型的硬件开销，”第一作者Simon Lieu说，Simon Lieu工作于联合量子研究所（JQI）和量子信息与计算机科学联合中心（QuICS），这两家机构是NIST和马里兰大学之间的协作机构。“我们的方案既是被动又是自主的。它会自动完成所有额外的工作。”设计师们正在尝试多种方法来构建量子位。一种很有前景的结构被称为光子腔谐振器。在它微小的体积内，多个光子受到驱动在空腔的反射壁之间来回反弹。光子在空腔中表现出波状特性，组合在一起形成波纹状干涉图案。图案本身包含了量子位的信息。这是一种微妙的排列，就像池塘表面的涟漪一样，往往会很快消散。它也很容易受到干扰。为了工作，量子位需要和平和安静。来自周围环境的噪音（例如附近其它组件发出的热或磁场）会扰乱干涉模式，破坏计算。团队成员认为，与其建立一个精密的系统来检测、测量和补偿噪声和误差，不如让空腔中的光子供给不断更新，这样，量子位的量子信息就可以承受一定数量和类型的噪声。由于空腔可以容纳许多光子，因此一个量子位包含大量光子，并形成一定的冗余。在某些量子位设计中，光子泄漏到环境中（一种常见的现象）意味着信息丢失。但是，研究团队的方法并没有阻止这种泄漏，而是将其融合在一起。腔内剩余的光子将维持干涉模式足够长的时间，以便更多的光子进入并取代丢失的光子。持续不断的新鲜光子流也意味着，如果空腔中的一些光子受到噪音的破坏，它们会被迅速地清除出去，从而不会造成灾难性的破坏。干涉图案可能会波动一会儿，就像池塘里的涟漪一样，如果一块小石头掉入水中，溅起令人不安的水花，但涟漪的脉动来源将保持一致，帮助图案以及它的量子信息迅速重组自己。“就像加了新水一样，”Lieu说。“任何时候信息受到污染，你就要不断地往水里注水，动态地清理管道，这就能让信息不受损害。正是这种整体布局让它保持了强大的恒稳态。”Lieu说，这种方法不会使量子位抵抗所有类型的错误。一些干扰仍将被认定为过于剧烈的“飞溅”，使系统无法应对。此外，这个概念主要适用于研究团队所考虑的光子腔，并不一定有助于加强其它领先的量子位设计。这种新方法为一组很有前途的量子计算机纠错技术又增添了一员，这些技术包括“拓扑”量子位，它也能自我纠错，但需要尚未制造出来的奇特材料。虽然研究团队希望这种新方法对超导结构中基于微波光子的量子计算特别有用，但它也可能在基于光学光子的计算中找到应用。研究团队的工作建立在先前的光子量子位理论和实验成果的基础上。Lieu说，其他物理学家已经为实验测试该团队的提议奠定了大部分必要的基础。“我们正计划联系实验专家来测试这个想法，”他说。“他们只需要把两种现有的材料放在一起就好。”
——编译：李莉萍
来源/计量测控
