超越量子纠错阈值！中性原子阵列纠缠门取得重大进展

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量子计算机有望达到当今最快的超级计算机也无法达到的速度和效率。然而，主要由于量子计算机无法自我纠错，这项技术还没有得到广泛推广和商业化。量子计算机与经典计算机不同，无法通过反复复制编码数据来纠正错误。科学家们必须另辟蹊径。
近日，由哈佛大学、麻省理工学院和中性原子量子计算机领域的领先企业QuEra Computing组成的研究团队成功地在60个并行中性原子量子比特上演示了保真度高达99.5%的双量子比特纠缠门。这一量子突破是哈佛大学物理系和约翰-A-保尔森工程与应用科学学院、QuEra、麻省理工学院物理系和电子研究实验室进行广泛测试的结果。

哈佛大学物理学家米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)（前景）和马库斯·格雷纳(Markus Greiner)在量子模拟器上工作。领导哈佛团队的是量子光学专家米哈伊尔·卢金，他是哈佛量子计划的联合主任。

以可扩展的方式执行低错误率的纠缠量子操作是有用量子信息处理的核心要素。中性原子阵列是最近出现的一种前景广阔的量子计算平台，它具有对数百个量子比特的相干控制能力，以及灵活、动态可重构架构中任意门到任意门的连接能力。要超越量子纠错阈值，保真度必须高于99%（或误差率低于1%），而此前在这种配置下实现的最高保真度为97.5%。通过在可扩展、高度连接的系统中实现高保真运行，麻省理工学院、哈佛大学和QuEra为量子算法、纠错电路和数字模拟的大规模实施奠定了基础。
这一保真度突破的关键在于基于中性原子的量子计算的创新方法，其中融合了一系列尖端技术，包括：
- 最优控制。基于最优控制的快速单脉冲门，确保纠缠操作的精度和效率。
- 原子暗态。为了减少散射和错误率，研究团队利用原子暗态，这是实现99.5%高保真度的关键因素。
- 增强的里德堡激发和原子冷却。里德堡激发和原子冷却技术的关键改进进一步提高了量子操作的准确性。
在这篇新论文中，研究小组报告说，其双量子比特纠缠门的性能近乎完美，错误率极低。他们首次展示了以低于0.5%的错误率纠缠原子的能力。就运行质量而言，这使他们的技术性能与其他领先类型的量子计算平台（如超导量子比特和捕获离子量子比特）不相上下。

在中性原子量子计算机上并行实施高保真纠缠门

以贝尔态为特征的高保真CZ门

CZ门的全局随机基准测试
不过，哈佛大学的方法与这些竞争对手相比具有很大的优势，因为它具有大系统规模、高效的量子比特控制以及动态重新配置原子布局的能力。
哈佛大学团队的研究进展与哈佛大学前研究生杰夫·汤普森(Jeff Thompson)（现就职于普林斯顿大学）和哈佛大学前博士后曼努埃尔·恩德雷斯(Manuel Endres)（现就职于加州理工学院）领导的其他创新成果在同一期《自然》杂志上进行了报道。综合来看，这些进展为量子纠错算法和大规模量子计算奠定了基础；所有这些都意味着，中性原子阵列上的量子计算正展现出其广阔的前景。
卢金说：“这些贡献为可扩展量子计算领域的特殊机遇打开了大门，整个领域的未来也将迎来真正激动人心的时刻。”
参考链接：[1]https://thequantuminsider.com/2023/10/13/harvard-university-mit-and-quera-demonstrate-historic-99-5-two-qubit-gate-fidelity-on-60-neutral-atom-qubits/[2]https://www.azoquantum.com/News.aspx?newsID=9850[3]https://wap.sciencenet.cn/mobile.php?type=AInews&op=detail&id=87374&mobile=1

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