因斯布鲁克大学（奥地利因斯布鲁克大学科学家刊发Nature）

奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck）领导的研究小组成功地在两个逻辑量子位上实现了「容错量子计算」的基本模块构建，发展出了一套通用门，可适用于所有量子计算算法。相对普通计算机，量子计算机本质上更容易受到干扰，错误将在系统中不受控制地传播，导致信息丢失，因此总是需要纠错机制。研究小组在一台具有 16 个俘获原子的离子阱量子计算机上实现了这个通用门组。量子信息被存储在两个逻辑量子位中，每个比特分布在七个原子上。在编码的逻辑量子位中，存储的量子信息被保护起来不出错。研究人员通过基础物理操作引发错误的检测和纠正方式，在逻辑量子位上实现了第一套通用门的容错操作。与非容错操作相比，容错的实现需要更多的步骤，复杂性增加，但运算质量会更好。相应论文 5 月 25 日发表于《自然》（Nature）。

在现代计算机中，由于高质量的制造，信息处理和存储过程中的错误已成为罕见。然而，对于关键应用，即使是单个错误也会产生严重影响，仍然使用基于处理数据冗余的纠错机制。

量子计算机本质上更容易受到干扰，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并且信息将丢失。因为量子力学的基本定律禁止复制量子信息，所以可以通过将逻辑量子信息分配到多个物理系统的纠缠状态中来实现冗余，例如多个单独的原子。

由奥地利因斯布鲁克大学实验物理系的 Thomas Monz 和 RWTH Aachen 大学的 Markus Müller 和德国 Forschungszentrum Jülich 领导的团队现在首次成功地在两个逻辑量子位上实现了一组计算操作，可以用于实现任何可能的操作。来自因斯布鲁克的实验物理学家 Lukas Postler 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，我们可以用它来编程所有算法。」

实现了基本的量子运算

研究人员团队在具有 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。

逻辑量子位的艺术想象图 ｜ 图源：Johannes Knünz

现在，第一次有可能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：两个量子位上的计算操作（一个 CNOT 门）和一个逻辑 T门，这在容错量子位上特别难以实现。

「T 门是非常基本的操作，」理论物理学家 Markus Müller 解释说。「它们特别有趣，因为没有 T 门的量子算法可以在经典计算机上相对容易地模拟，从而否定任何可能的加速。对于具有 T 门的算法，这不再可能。」 物理学家通过在逻辑量子位中准备一个特殊状态并通过纠缠门操作将其传送到另一个量子位来演示 T 门。

复杂性增加，但准确性也增加

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，这是没有用的，而且这些操作本身很容易出错。

研究人员已经在逻辑量子位上实施了操作，使得由底层物理操作引起的错误也可以被检测和纠正。因此，他们已经在编码的逻辑量子位上实现了第一个通用门集的容错实现。

「容错实现需要比非容错操作更多的操作。这将在单个原子的尺度上引入更多的错误，但是逻辑量子位上的实验操作比非容错逻辑操作要好，」Thomas Monz 很高兴地报告。「工作量和复杂性都会增加，但最终的质量会更好。」 研究人员还使用经典计算机上的数值模拟检查并确认了他们的实验结果。

物理学家现在已经展示了在量子计算机上进行容错计算的所有构建模块。现在的任务是在更大、更有用的量子计算机上实现这些方法。因斯布鲁克在离子阱量子计算机上演示的方法也可以用于量子计算机的其他架构。

除其他外，欧盟在量子旗舰计划的框架内以及奥地利研究促进机构 FFG、奥地利科学基金 FWF 和奥地利蒂罗尔州工业联合会为这项研究提供了财政支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04721-1

原文链接：

https://www.eurekalert.org/news-releases/953426

--EurekAlert!