两篇Nature文章首次演示了消除量子计算机错误的新方法！

光子盒研究院

未来的量子计算机有望解决各种问题。例如，它们可以带来更可持续的材料、新的药物，甚至可以破解基础物理学中最难的问题。但与目前使用的经典计算机相比，初级量子计算机更容易出错。如果研究人员能拿出一块特殊的量子“橡皮擦”，把错误擦掉，岂不美哉？

据《自然》杂志报道，由加州理工学院领导的一组研究人员率先展示了一种量子橡皮擦。物理学家们证明，他们可以精确定位并纠正量子计算系统中被称为“擦除”错误的错误。

虽然量子设备中的误差通常很难被发现，但研究人员已经证明，只要小心控制，一些误差就能使原子发光。研究人员利用这种能力，使用原子阵列和激光束进行了量子模拟，如图所示。实验表明，他们可以摒弃发光的错误原子，使量子模拟运行得更有效率。

量子模拟中的擦除转换

这项新研究的共同第一作者、加州理工学院物理学教授曼努埃尔-恩德雷斯(Manuel Endres)实验室的研究生亚当·肖(Adam Shaw)说：“通常很难检测到量子计算机中的错误，因为仅仅是寻找错误的行为就会导致更多错误的发生。但我们的研究表明，通过一些细致的控制，我们可以精确地定位并擦除某些错误，而不会造成任何后果，这就是擦除这一名称的由来。”

量子计算机基于亚原子领域的物理定律，例如纠缠，这是一种粒子在不直接接触的情况下保持相互连接和模仿的现象。在这项新研究中，研究人员重点研究了一种使用中性原子阵列或不带电原子的量子计算平台。具体来说，他们操纵了封闭在激光制成的“镊子”内的单个碱土中性原子。这些原子被激发到高能状态，即“里德堡”状态：在这种状态下，相邻的原子开始相互作用。

这项研究的另一位共同第一作者帕斯卡尔·烁尔(Pascal Scholl)解释说：“我们量子系统中的原子相互对话并产生纠缠。”

纠缠是量子计算机超越经典计算机的关键所在。然而，自然界并不“喜欢”保持这种量子纠缠状态，烁尔解释道：“最终，错误会发生，从而破坏整个量子态。这些纠缠态可以看作是装满苹果的篮子，原子就是苹果。随着时间的推移，一些苹果会开始腐烂，如果不把这些苹果从篮子里拿出来换成新鲜的，那么所有的苹果都会迅速腐烂。目前还不清楚如何完全防止这些错误的发生，所以唯一可行的办法就是检测并纠正错误。”

新的错误捕捉系统的设计方式是，错误的原子在受到激光照射时会发出荧光或发光。烁尔说：“我们有发光原子的图像，这些图像告诉我们错误在哪里，因此我们可以将它们排除在最终统计数据之外，或者使用额外的激光脉冲来主动纠正它们。”

在中性原子系统中实施擦除检测的理论最早是由普林斯顿大学电气与计算机工程教授杰夫·汤普森(Jeff Thompson)及其同事提出的，该团队最近还在《自然》杂志上报告了这项技术。

普林斯顿大学杰夫·汤普森领导的研究人员开发了一种技术，可以使量子计算机中的错误纠正变得容易十倍

加州理工学院团队表示，通过消除和定位他们的里德堡原子系统中的错误，他们可以提高纠缠的总体速率或保真度。在新的研究中，该团队报告说，1000对原子中只有一对未能纠缠在一起——这比之前的结果提高了10倍，也是在这类系统中观察到的最高纠缠率。

归根结底，这些结果对使用里德堡中性原子阵列的量子计算平台来说是个好兆头。肖说：“中性原子是最具可扩展性的量子计算机类型，但直到现在它们才具有高纠缠保真度。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06438-1

[2]https://www.caltech.edu/about/news/a-new-way-to-erase-quantum-computer-errors

[3]https://phys.org/news/2023-10-illuminating-errors-paradigm-quantum.html

[4]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06516-4

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