超导量子计算机遭遇挫折！量子纠错面临新的困难

光子盒研究院出品

理论上说，量子计算机可以在许多任务上胜过经典计算机，但前提是计算任务中不可避免的错误是孤立的，而不是相关的事件。

但现在，威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员发现了整个超导量子计算芯片中的错误是相关的。这凸显了在寻求容错量子计算机时必须承认和解决的一个问题。

研究人员在6月16日发表在《自然》杂志上的一项研究中报告了他们的发现。重要的是，他们的工作成果还指出了缓解错误的办法。

该研究的资深作者、威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授Robert McDermott说：“我认为人们一直在以一种过于乐观的方式处理纠错问题——盲目地假设错误是不相关的。但我们的实验确实表明错误是相关的，但随着我们发现问题并形成深刻的物理理解，我们将找到这些问题的解决方法。”

经典计算机中的比特可以是1或0，但量子计算机中的量子比特可以是1、0或1和0的任意组合(叠加)。因此，经典比特只能构成比特翻转错误，例如当1翻转为0时，就会产生这种错误。然而，量子比特可以产生两种类型的错误：比特翻转或相位翻转，量子叠加状态在其中会发生变化。

为了纠正错误，计算机必须在错误发生时对其进行监控。但是量子物理定律指出，在一个量子比特中一次只能监测一种错误类型，因此提出了一种称为表面码的巧妙的纠错协议。表面码涉及大量的量子比特——一些进行计算工作，而另一些则被监控以推断计算量子比特中的错误。然而，只有当导致错误的事件是孤立的，最多影响几个量子比特时，表面码协议才能可靠地工作。

在早期的实验中，McDermott的团队已经发现了一些迹象，这些迹象表明某些东西正在导致多个量子比特同时翻转。在这项新研究中，他们直接发出疑问：这些翻转是独立的，还是相关的？

一束高能宇宙射线击中了量子比特芯片，释放了芯片衬底中的电荷，从而扰乱了相邻量子比特的状态。图片由Robert McDermott提供

研究团队设计了一种由超导元素铌和铝制成的具有四个量子比特的芯片。科学家们将芯片冷却到接近绝对为零度，使其具有超导性并保护其免受来自外部环境的错误干扰。

为了评估量子比特翻转是否相关，研究人员测量了四个所有量子比特的偏移电荷波动。波动的偏移电荷实际上是量子比特电场的变化。

研究小组观察到长时间的相对稳定性，随后是偏移电荷的突然跳跃。两个量子比特离得越近，它们同时跳跃的可能性就越大。这些突然的变化很可能是由宇宙射线或实验室中的背景辐射引起的(它们都会释放带电粒子)。当其中一个粒子撞击芯片时，会释放出影响附近量子比特的电荷。

通过简单的设计更改，可以轻松缓解这种局部影响。科学家们更担忧的是接下来会发生什么。

该研究的主要作者、研究生Chris Wilen说：“如果我们关于粒子撞击的模型是正确的，那么我们预计大部分能量会转化为芯片中长距离传播的振动。随着能量的传播，干扰将导致整个芯片上相关的量子比特翻转。”

在他们的下一组实验中，他们所看到的正是这种效应。他们测量了一个量子比特中的电荷跳跃(正如前述的实验中一样)，然后使用这些跳跃的时间来校准对其他两个量子比特量子态的测量。这两个量子比特应该始终处于1态。然而，研究人员发现，只要他们看到第一个量子比特中的电荷跳跃，其他两个(无论在芯片上有多远)都会迅速从1态翻转到0态。

Wilen说：“这是一种长期效应，而且确实具有破坏性——它正在破坏存储在量子比特中的量子信息。”

尽管这项工作结果可能被视为超导量子计算机发展的一个挫折，但研究人员相信他们的研究成果将指导针对这个问题的新研究。威斯康星大学麦迪逊分校的小组已经在研究缓解策略。

McDermott说：“随着我们越来越接近容错量子计算机的最终目标，我们将发现一个又一个新问题。这只是对系统进行更多了解的过程中的一部分，它为实现更具弹性的设计提供了一条途径。”

这项研究由威斯康星大学麦迪逊分校与费米实验室、斯坦福大学、意大利国家核物理研究院(INFN)、谷歌公司和劳伦斯利弗莫尔国家实验室合作完成的。美国能源部对此提供了支持。

参考链接：

https://www.hpcwire.com/off-the-wire/correlated-errors-in-quantum-computers-emphasize-need-for-design-changes/

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