科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

美國(guó)亞馬遜云科技量子計(jì)算中心團(tuán)隊(duì)在25日《自然》雜志的一篇論文中，演示了容錯(cuò)量子計(jì)算的新突破：一種對(duì)硬件開(kāi)銷需求更低的量子糾錯(cuò)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)使用了“貓量子比特”（cat qubits），其創(chuàng)新設(shè)計(jì)能抵抗可能會(huì)干擾量子系統(tǒng)輸出的特定類型的噪音和錯(cuò)誤，同時(shí)實(shí)現(xiàn)量子比特需要的元器件總數(shù)比其他設(shè)計(jì)更少。

量子計(jì)算機(jī)很容易出錯(cuò)，這限制了它們?cè)谔囟ㄈ蝿?wù)上超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的潛力。量子糾錯(cuò)方法是將信息分散到多個(gè)量子比特，幫助減少出錯(cuò)，從而在不干擾計(jì)算的情況下發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤。不過(guò)，大部分量子糾錯(cuò)方法通常依賴大量額外的量子比特來(lái)提供足夠的防出錯(cuò)保護(hù)，這可能會(huì)在整體上降低效率。

團(tuán)隊(duì)此次利用名為“玻色子貓量子比特”進(jìn)行量子糾錯(cuò)，探索了一種更高效的方式。“貓量子比特”來(lái)源于薛定諤的貓思想實(shí)驗(yàn)，指的是量子系統(tǒng)可以同時(shí)處于兩個(gè)宏觀上截然不同的狀態(tài)的疊加態(tài)。量子信息處理中，其通常指由光子組成的量子態(tài)，這些光子的狀態(tài)可以是同時(shí)包含相位相反的相干態(tài)的疊加。

這些“貓量子比特”在硬件水平上對(duì)一類錯(cuò)誤（稱為比特翻轉(zhuǎn)）有更高的固有抵抗力，其代價(jià)為更容易出現(xiàn)另一種錯(cuò)誤（名為相位翻轉(zhuǎn)）。這種錯(cuò)誤偏差能讓團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出只關(guān)注處理相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤的量子糾錯(cuò)代碼，得到一個(gè)對(duì)額外量子比特需求更低、整體上更高效的設(shè)計(jì)。

團(tuán)隊(duì)用一組“貓量子比特”演示了一個(gè)超導(dǎo)量子環(huán)路裝置，證明了有5個(gè)“貓量子比特”的糾錯(cuò)代碼在每個(gè)周期的錯(cuò)誤率從1.75%抑制到1.65%。此前，用更大糾錯(cuò)代碼實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤抑制需要幾十個(gè)額外量子比特。

結(jié)果表明，利用“玻色子貓量子比特”或是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算的一個(gè)有效方式。團(tuán)隊(duì)指出，這種方法具有高效擴(kuò)展的潛力，但仍需進(jìn)一步優(yōu)化將性能提升到有望推動(dòng)實(shí)際量子計(jì)算應(yīng)用的層面。

總編輯圈點(diǎn)

量子計(jì)算怎么才能不出錯(cuò)又不耗更多資源？傳統(tǒng)量子糾錯(cuò)方法，要依賴大量額外量子比特來(lái)“幫忙”，這就極大地增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和資源消耗。而現(xiàn)在“貓量子比特”的引入，有效緩解了這個(gè)問(wèn)題。它要的不多，錯(cuò)誤率卻能被有效抑制，無(wú)疑是一項(xiàng)重大的進(jìn)步。這一技術(shù)其實(shí)還處于初步階段，但它展示了高效擴(kuò)展的潛力。隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，基于“貓”的量子糾錯(cuò)方案，很可能會(huì)成為推動(dòng)量子計(jì)算實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。