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量子误差变得更可容忍:ETH科学家通过纠错将量子态的寿命延长了三倍
2022/2/14 6:46:00 | 浏览:655 | 评论:0
量子误差变得更可容忍:ETH科学家通过纠错将量子态的寿命延长了三倍

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

最近,苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)改进了基于Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP)码的量子纠错方案,从而将量子态的寿命延长了三倍,对于未来实现大规模量子计算机有重要意义。相关成果已经发表在《自然·物理学》杂志[1]。这也是ZTH两个月内取得的第二个量子纠错进展,去年12月,ZTH的另一个团队第一次实现自动纠正量子系统中的错误。

量子计算机处理信息的方式与经典计算机有着根本的不同。这带来了独特的计算能力,但也需要新的策略来处理过程中出现的错误。更具体地说,量子信息不能完全复制,因为测量会不可避免地改变脆弱的量子态。然而,通过一些创造性的重新思考,有可能设计出能够告诉我们量子信息是否被干扰的测量方法。与经典纠错一样,关键是利用冗余。
 
在量子纠错的创新想法中,所谓的GKP码是一种特别有前途的方法。一般来说,使用单个物理量子比特实现的纠错码需要控制许多独立的系统,但是使用量子振荡器构建的码提供了使用单个物理实体执行纠错的可能性。而GKP码就是使用对单个振荡器的灵活控制来避免控制量子信息的许多不同的物理载体。使用GKP码,可在量子系统的连续空间中编码离散的量子信息,迫使其位于规则间隔的点上,形成一个固定间隔的梳齿,有效地将空间数字化(见下图)。信息以梳齿大小存储。梳齿位置的小位移可以被纠正,只要它们不会导致相邻的梳齿重叠。

ETH物理學家修改了量子糾錯的主要方案之一,並將其付諸實踐,證明這些方案可以大大延長量子態的壽命,而量子態是未來大規模量子計算機的關鍵組成部分。

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。

结果表明,该团队使用正方形和六边形GKP码将逻辑态的相干时间(本质上是量子态的寿命)延长了三倍。

对于正方形码,在未纠错的情况下,每个数据集X、Y、Z得到相干时间分别为2.5(2)、2.2(2)和2.5(2)ms,而在进行纠错时,相干时间增加到了12.6(4)、8.6(3)和12.3(5)ms。后者最短相干时间是前者最长相干时间的3.4倍。对于六边形码,这个数字也接近3倍。

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。

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