科学家通过纠错将量子态的寿命延长了三倍

光子盒研究院出品

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。

本文中的实验平台 

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。

在GKP码中，离散的量子信息被编码在量子系统的连续空间中，迫使它被定位在规则间隔的点上，形成固定间隔的梳齿，有效地数字化了空间。图片：Christa Flühmann, ETH Zurich / Shutterstock

这个方案于在2001年提出，但使用GKP码进行纠错的实验演示直到2020年才出现，而且可实现以的纠错程度有限。这是因为GKP码仅适用于无限能量的量子态，而在实验中自然涉及有限能量态。ETH量子电子学研究所Jonathan Home教授团队的博士生Brennan de Neeve、博士后研究员Thanh-Long Nguyen士和另一名博士生Tanja Behrle现在已经解决了这个问题。

在该团队使用的平台上，量子信息被编码在单个俘获离子的机械振荡器运动中。这与Home团队在2019年开创的生成和控制GKP码逻辑态的系统相同[2]。在这些能力的基础上，de Neeve等人设计并实现了一种针对有限能量态优化的新型测量方案。这种方法实现起来相对简单，因为它利用了阻尼过程，避免了必须测量量子态，然后应用经典控制反馈。使用这种方法，他们证明了量子振荡器运动中多余位移的有效纠正。

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，见下图。对于六边形码，这个数字也接近3倍。

对于(a)正方形和(b)六边形有限GKP编码，在具有稳定性(圆形)和不具有稳定性(十字)的情况下<XL>(橙色)、<YL>(绿色)和<ZL>(蓝色)的逻辑读出。每个数据集都符合指数衰减。a)正方形码的量子态寿命为12.6(4)、8.6(3)和12.3(5)毫秒(有纠错)以及2.5(2)、2.2(2)和2.5(2)毫秒(无纠错)。b)对于六边形码，相应的寿命则为8.9(3)、6.2(3)和9.6(4)毫秒(有纠错)以及2.2(1)、2.1(2)和2.4(2)毫秒(无纠错)。

这种延长的相干时间很重要，因为这直接代表了执行量子计算的更多时间。因此，这项工作解决了量子计算领域的一个重大挑战。此外，这种新方法在实验量子物理的工具箱中使用了成熟技术的变体。结合其他方面的进展，这使我们离最终使量子计算机能够以任意精度进行计算越来越近，即使它是由容易出错的组件构成的。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41567-021-01487-7

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-019-0960-6

[3]https://www.phys.ethz.ch/news-and-events/d-phys-news/2022/02/quantum-errors-made-more-tolerable.html

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