蘇黎世ETH德尼夫和同事們在其中進行實驗的實驗室。蘇黎世ETH/D-PHYS Home group

在現代計算機設備中，數十億個電晶體幾乎完美地和諧地工作著。從由不完美部件製成的設備中產生近乎完美的計算的關鍵是數位化和糾錯，後者包括檢測和糾正出現的不準確的程序。防止錯誤累積的挑戰是未來量子計算機必須面對的挑戰，事實上，它構成了實現有用計算的主要障礙。唉，為經典計算機而完善的工具不能直接應用於量子計算機，因為量子計算機遵循另一套規則，即量子力學在過去的幾十年裡，人們提出了量子糾錯的巧妙解決方案，最近在最先進的量子計算機中實現這些方法方面取得了令人鼓舞的進展。書寫自然物理學，量子電子學研究所的Jonathan Home教授小組報告了這樣一個實驗實現，它通過考慮物理現實設備的重要局限性以及與其他建議的糾錯方案相比相對容易實現而脫穎而出，從而增加了實際量子計算演示的相關性。

允許一定量的誤差

量子計算機處理信息的方式與經典計算機有著根本的不同。這就打開了獨特的計算能力，但也需要新的策略來處理過程中出現的錯誤。更具體地說，量子信息不可能完全複製，測量不可避免地改變了脆弱的量子態。然而，通過一些創造性的反思，我們有可能設計出能夠告訴我們量子信息是否受到干擾的測量方法。與經典的糾錯一樣，關鍵是利用冗餘。

在那些量子糾錯，所謂的Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）碼是一種特別有前途的代碼，它使用對單個振盪器的靈活控制來避免必須控制量子信息的許多不同的物理載體。它在量子系統的連續空間中對離散的量子信息進行編碼，迫使它被定位在有規律間隔的點上，形成一個以固定間隔排列的梳齒，有效地實現了空間的數位化（見下圖）。信息以梳齒的大小存儲。只要不引起相鄰齒重疊，梳齒在適當位置的微小位移都可以糾正。雖然該方案是在2001年提出的，但到2020年才進行了GKP碼糾錯的實驗演示，但其糾錯程度誤差修正可以實現的目標有些有限。這是因為GKP碼只適用於無限能量的量子態，而實驗自然涉及有限能量態。

應對有限性

團隊使用了一個平台量子信息被編碼在單個囚禁離子的機械振子運動中。在這個系統中，Home組率先生成和控制GKP代碼的邏輯狀態。基於這些能力，de Neeve等人現在設計並實現了一種新的測量方案，該方案針對有限能量狀態進行了優化。他們的方法實現起來相對簡單，因為它利用了阻尼過程，避免了必須測量量子態，然後應用經典控制反饋。將新方法付諸實踐，他們證明了量子振盪器運動中不需要的位移的有效校正。結果，他們將相干時間（本質上是量子態的壽命）延長了三倍，為量子計算系統。

這種延長的相干時間很重要，因為它們直接轉化為執行量子計算的更多時間，而量子計算是實用設備的關鍵「貨幣」。因此，這項工作解決了量子計算領域的一個重大挑戰。此外，新方法在實驗量子物理的工具箱中使用了各種成熟的技術，激發了人們的信心，認為它可以進一步推進。再加上其他方面的進展，這使我們更接近於最終使量子計算機能夠以任意精度進行計算，即使是由容易發生故障的部件構成的。