量子计算机能够对任何类型的错误进行纠正

科学日报报道，近日西班牙和奥地利的物理学家们密切合作， 对分布在一些粒子之间的量子纠缠态进行了实验性量子比特（qubit）编码，并首次对它进行了简单的计算。这个七量子比特的量子寄存器可以被用作量子计算 机的基本建构单元，后者能够对任何类型的错误进行纠正。研究人员的研究结果被发表在期刊《科学》上。
即使是计算机也易于出错。最细微的干扰都可能改变已保存的信息并篡改计算结果。为了克服这些问题，计算机会运行特定的日常活动以持续的检测和纠正错误。对于未来的量子计算机也是如此，它也需要纠错程序：“量子现象非常脆弱也易于出错。错误可能会迅速的传播并严重的扰乱计算机，”奥地利因斯布鲁克大学实验物理研究所的科学家瑞纳·布拉特(Rainer Blatt)带领的研究小组的成员托马斯·莫恩滋（Thomas Monz）这样说道。

与西班牙马德里康普顿斯大学理论物理学学院的马库斯·穆勒（Markus Müller）以及米格尔·安吉尔·马丁-德尔加多（Miguel Angel Martin-Delgado）密切合作，因斯布鲁克大学的物理学家们修订了一套新的量子纠错方法，并对它进行了实验性的测试。“量子比特极其复杂，且无法简单的复制。此外，这些微观量子世界里的错误是多方面的，比传统计算机里的纠错要更加困难。” 莫恩滋这样强调道。“为了在量子计算机里检测并纠正错误，我们需要高度成熟的所谓的量子纠错码。” 目前实验里所使用的拓扑码是由马德里马丁-德尔加多带领的科研小组提出的。 量子比特被分布在二维的晶格里，它们可以与临近的粒子发生相互作用。

七个离子里编码的量子比特

在因斯布鲁克大学进行的实验里，物理学家将七个钙原子限定在一个离子阱里，使得后者能够将这些原子冷却到接近绝对零度并通过激光束对它们进行精确的控制。研究人员将单独的逻辑量子比特编码成纠缠态的量子，而量子纠错码为这个程序提供了这样的编码过程。“对七个物理量子比特的逻辑量子比特进行编码是一项真正的实验性挑战，”瑞纳·布拉特的研究小组成员丹尼尔·尼格（Daniel Nigg）这样说道。物理学家通过三个步骤实现了这一目标，在每一个步骤里都使用了复杂的激光脉冲序列以创造四个临近量子比特的纠缠。“通过以一种可以控制的方式扰乱七个原子里单一量子比特的信息，我们首次实现了对单一量子比特的编码，” 马库斯·穆勒激动的说道。“当我们以这样特定的方式实现原子纠缠，它为接下来的纠错和可能的计算提供了足够多的信息。”

无错误的操作

在另外一个步骤里，物理学家测试了这一编码检测和纠正不同类型的错误的能力。“我们论证了在这样的量子系统里，我们能够独立的检测和纠正每一个粒子里可能的错误，” 丹尼尔·尼格说道。“我们只需要这些粒子之间关联性的信息，无需对单一粒子进行测量。”尼格的同事埃斯特班·马丁内斯(Esteban Martinez)这样解释道。除了可靠的检测单一错误，物理学家们还首次对逻辑编码的量子比特进行了单一甚至迭代运算。一旦克服了复杂编码过程的障碍，每一个单一的门运算只需要简单的单一量子比特门运算就足够。“利用这种量子编码，我们可以执行基本的量子操作并同时纠正所有可能的错误，” 莫恩滋这样说道。他将这看做是通向可靠容错的量子计算机的道路的重要里程碑。

未来创新的基础

由西班牙和奥地利物理学家开发的新方法组成了未来革新的基础。“这种应用于编码单个逻辑量子比特的7离子系统可以作为更大的量子系统的建构单元，”理论物理学家穆勒这样说道。“晶格越大，它将变得越稳健。产生的结果可能是能够进行任何数量的运算且不受到错误阻碍的量子计算机。”

目前的实验不仅打开了技术革新的新方向，“还会产生新的问题，例如首先将应用哪种方法来描绘这样的大逻辑量子比特，” 瑞纳·布拉特这样说道。“此外我们计划进一步合作研发所使用的量子编码，实现最优化以用于更广泛的运算。” 马丁-德尔加多补充说道。