MIT开创减少双量子比特门误差的新方法，提高鲁棒性迈向纠错量子计算机

当地时间6月16日，麻省理工学院 (MIT) 的研究人员在全面实现量子计算的道路上取得了重大进展，研究人员展示了一项技术，这项技术可以消除量子算法中最基本的操作 (双量子比特门操作) 的常见错误[1]。

相关研究成果以“Realization of High-Fidelity CZ and ZZ-Free iSWAP Gates with a Tunable Coupler”为题，发表在美国物理学会出版的《物理评论X》(Physical Review X) 上[2]。

MIT电气工程与计算机科学系的研究生Youngkyu Sung，同时也是论文的第一作者，他表示，尽管使用超导量子比特进行低误差计算方面取得了巨大进展，但双量子比特门作为量子计算的基石，仍然存在错误。团队已经展示了一种大幅减少这些错误的方法。

图1｜MIT研究团队 (来源：MIT)

在量子计算机中，由脆弱的量子比特执行的信息处理是一个极其微妙的过程，量子比特极易受到退相干的影响，失去其量子特性。

Youngkyu Sung和其团队在先前的研究中，就提出了可调耦合器，该器件能让研究人员打开/关闭两个量子比特的相互作用，以控制其操作，同时保护脆弱的量子比特。

可调耦合器的出现代表着一个重大的进步，也是谷歌演示“量子霸权”的关键。

尽管如此，应对错误机制就像剥洋葱一样，剥下一层就会发现还有一层。在这种情况下，即使使用可调耦合器，双量子比特门仍然容易出现错误，这些错误是由两个量子比特之间以及量子比特和耦合器之间的相互作用造成的。

在可调耦合器出现之前，这类相互作用通常被忽略，因为之前它们并不突出。但这类误差会随着量子比特和门的数量增加而增加，它们的出现使研究人员无法建立更大规模的量子处理器。MIT研究团队的论文，提供了一种新的方法来减少这种误差。

MIT电气工程与计算机科学系副教授、MIT林肯实验室研究员、MIT量子工程中心主任William D. Oliver表示，团队进一步发展了可调耦合器的概念，并成功展示了接近99.9%保真度的两种主要类型的双量子门 (CZ门和iSWAP门)。

图2｜CZ门和iSWAP门的可调耦合器 (来源：MIT)

高保真度的门增加了可执行操作的数量，更多的操作代表可以在更大规模的处理器上实施更复杂的算法。

为了消除引起错误的量子比特之间的相互作用，研究人员利用耦合器的更高能级，来抵消这类相互作用。在此之前，耦合器的这种能级被忽略了。

Youngkyu Sung表示，更好地控制和设计耦合器，是控制量子比特之间相互作用的关键。通过对多级动力学进行工程设计，可以完成这一想法。

下一代纠错量子计算机，意味着需要增加额外的量子比特，以提高量子计算的鲁棒性。

研究使用的设备出自MIT林肯实验室，对于在双量子比特操作中实现高保真度极为重要。毕竟，制造高相干性设备是实现高保真控制的第一步。

图3｜优化耦合器 (来源：MIT)

以往，双量子比特门的高错误率，极大地限制了量子硬件运行量子应用程序的能力，而这些应用程序通常很难用经典计算机解决，例如量子化学模拟和优化问题。

截至目前，只在量子计算机上进行了小分子的模拟，而这些模拟是可以在经典计算机上进行的。

就这点来看，MIT研究人员减少双量子比特门误差的新方法出现得十分及时，有助于解决当今最关键的量子硬件问题之一。

封面：

MIT

引用：

[1]https://news.mit.edu/2021/clearing-way-toward-robust-quantum-computing-0616

[2]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.021058

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