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近日，荷蘭量子計算公司QuTech（由代爾夫特理工大學和荷蘭國家應用科學院TNO合作共建）的研究人員宣布了其在量子糾錯方面取得的重大進展：他們將編碼量子信息的高保真操作與可擴展量子比特的解決方案集成在一起，從而實現(xiàn)重復信息穩(wěn)定傳輸。

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該研究成果發(fā)表在《自然·物理學》12 月刊上。

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我們知道，物理量子比特在進行量子計算之前就很容易出錯。造成這些錯誤的原因有很多，包括量子退相干、串擾和不完善的校準等。因此，量子糾錯理論規(guī)定，需要在保護量子比特信息免受這些“噪聲”影響的同時進行計算。

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QuTech的Leonardo DiCarlo教授說：“以下兩個功能將糾錯量子計算機與嘈雜的中級量子計算機 (NISQ)分開。首先，糾錯的量子計算機將處理以邏輯量子比特而非物理量子比特（每個邏輯量子比特由許多物理量子比特組成）編碼的量子信息；其次，糾錯的量子計算機將在計算過程中采用量子奇偶校驗來識別和糾正物理量子比特中發(fā)生的錯誤，從而在處理編碼信息時保護這些信息?！?/p>

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?與本作品中使用的處理器相似的7個超導量子比特處理器的藝術圖像。（圖片來源：網(wǎng)絡）

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7個量子比特構成的邏輯量子比特群

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根據(jù)理論，物理量子比特錯誤率低于某個閾值并且在用于邏輯運算的電路中保持穩(wěn)定、容錯，那么，邏輯錯誤率就可以被指數(shù)級抑制。因此，QuTech的基本研究思想是，增加信息冗余并使用大量的量子比特來編碼數(shù)據(jù)以降低凈誤差。

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現(xiàn)在，該團隊已經(jīng)朝著這個目標邁出了重要一步：實現(xiàn)了一個由7個物理量子比特（超導傳輸子）組成的邏輯量子比特。

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“這個邏輯量子比特能夠通過編碼信息完成所有計算操作?！盦uTech的Barbara Terhal教授表示，這種將高保真邏輯運算與重復穩(wěn)定擴展量子比特的方案相結合，是量子糾錯的關鍵步驟。

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該研究論文的第一作者和博士候選人Jorge Marques進一步解釋說：“到目前為止，研究人員不僅實現(xiàn)了邏輯量子比特信息編碼的穩(wěn)定性操作，也證明了可將其用于計算。這就是容錯計算機最終必須做的事情：同時處理和保護數(shù)據(jù)免受錯誤影響。我們已進行了3種類型的邏輯量子比特操作：在任意狀態(tài)下初始化邏輯量子比特，邏輯門轉換，測量。實驗證明，所有操作都可以通過直接對量子比特信息進行編碼。這三種操作的過程中，我們觀察到容錯變體的性能高于非容錯變體?！?

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眾所周知，容錯操作是減少物理量子比特錯誤累積，避免造成邏輯量子比特錯誤的關鍵。

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未來展望

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DiCarlo還強調了這項工作的多學科性質：“這是實驗物理學、Barbara Terhal小組的理論物理學以及與TNO等外部合作者共同開發(fā)電子學的共同努力成果。同時得到了來自IARPA和英特爾公司的資助?！?/p>

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“我們的遠大目標是證明，隨著增加編碼冗余，凈錯誤率實際上呈指數(shù)級下降。我們目前的重點是擴展至17個物理量子比特，接下來將是 49 個物理量子比特。我們的量子計算機架構的所有層都在朝著可拓展發(fā)展。”DiCarlo 總結道。

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編譯：李每

編輯：慕一

注：本文編譯自“Eurekalert”，不代表量子前哨觀點。

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