无差错量子计算机或成现实

由奥地利因斯布鲁克大学实验物理系的托马斯·蒙兹、德国亚琛工业大学的马库斯·穆勒和德国于利希研究中心领导的团队展示了容错量子计算的基本构建模块，首次成功地实现了对两个逻辑量子位的一组计算操作，可以用来实现任何可能的操作，意味着无差错量子计算机或将成为现实。相关研究成果发表在近期的《自然》杂志上。

量子计算机本质上更容易受到来自环境的干扰，因此可能总是需要纠错机制，否则错误将在系统中不受控制地传播，信息将丢失。量子不可克隆定理表明，对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制的过程是不可实现的，因此可以通过将逻辑量子信息分配到多个物理系统的纠缠态来实现冗余，例如多个单独的原子。

因斯布鲁克实验物理学家卢卡斯·波斯勒解释说：“对于现实世界的量子计算机，我们需要一套通用的门，用它我们可以对所有算法进行编程。”

研究团队在具有16个被捕获原子的离子阱量子计算机上实现了这个通用门集。量子信息存储在两个逻辑量子位中，每个量子位分布在七个原子上。

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现在，研究人员首次可以在这些容错量子位上实现两个计算门，这对于通用门集是必要的：对两个量子位进行作用的门（一个控—非门）和一个逻辑T门，这在容错量子位上特别难实现。

物理学家们通过在逻辑量子位中准备一个特殊的状态，并通过纠缠门操作将其传送到另一个量子位来演示了T门。

在编码的逻辑量子位中，存储的量子信息受到保护，不会出错。但是如果没有计算操作，这是没有用处的，而且这些操作本身很容易出错。于是，研究人员对逻辑量子位进行了操作，这样就可以检测和纠正由底层物理操作造成的错误。因此，他们在编码的逻辑量子位上实现了第一个通用门集合的容错实现。

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容错的实现比非容错需要更多的操作。这将在单个原子的尺度上引入更多的误差。工作量和复杂性增加了，但产生的质量更好。研究人员还使用经典计算机上的数值模拟来检查和确认他们的实验结果。

研究人员已经展示了在量子计算机上进行容错计算的所有基础。现在的任务是在更大的、更有用的量子计算机上实施这些方法。在离子阱量子计算机上演示的这种方法也可以用于其他量子计算机的体系结构。

相关链接：https://phys.org/news/2022-05-error-free-quantum-real.html

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