量子系統(tǒng)可以以極高的精度操作，但不是完美的。蘇黎世聯(lián)邦理工學院物理系的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)演示了如何監(jiān)測和糾正這種操作過程中出現(xiàn)的錯誤。近年來，量子計算領域取得了巨大的進展。量子設備正越來越多地挑戰(zhàn)傳統(tǒng)計算機，至少是少數(shù)幾個選定的任務。盡管有目前的進展，今天的量子信息處理器仍然在努力處理錯誤，這在任何計算中不可避免地發(fā)生。這種無法有效糾正錯誤的做法阻礙了對量子信息進行持續(xù)、大規(guī)模處理的努力?，F(xiàn)在量子電子研究所的Jonathan Home小組的一系列實驗，第一次整合了一個實驗中進行量子誤差修正所需的一系列元素，這些研究結(jié)果發(fā)表在2018年11月6日的《自然》雜志上。

博科園-科學科普：就像經(jīng)典的量子計算機一樣，量子計算機是由不完美的元件構成的，它們對外界的干擾更加敏感。在執(zhí)行計算時，這不可避免地會導致錯誤。對于傳統(tǒng)的計算機，存在一個完善的檢測和糾正此類錯誤的工具包。量子計算機將更加依賴于定位和修復錯誤。這需要考慮到信息在量子態(tài)中編碼這一事實的概念上的不同方法。特別是，重復地讀出量子信息而不干擾它，這是檢測錯誤的要求，并且實時地對這些錯誤作出反應是相當大的挑戰(zhàn)。

重復的性能

主基在一個陷阱中串在一起的單個離子的量子態(tài)中編碼量子信息。通常這些弦只包含一種離子。但是博士生弗拉德·內(nèi)格維茨基和馬特奧·馬里內(nèi)利，以及博士后卡蘭·梅赫塔和其他同事，現(xiàn)在已經(jīng)創(chuàng)造出了一種弦，他們在弦中捕獲了兩種不同的物種——兩種鈹離子(9Be+)和一種鈣離子(40Ca+)。這種混合物種的字符串以前也有過，但研究小組用了新穎的方式來使用它們。利用了這兩個物種明顯不同的特性，特別是在他們的實驗中，用不同顏色的光操縱和測量鈹和鈣離子。這為一種物種的研究開辟了一條不干擾另一種物種的途徑。

與此同時，ETH的研究人員發(fā)現(xiàn)了讓不同的離子相互作用的方法，這樣一來，對鈣離子的測量就能得到鈹離子量子態(tài)的信息，而不會破壞這些脆弱態(tài)。重要的是，當鈹離子受到缺陷和誤差的影響時，物理學家們反復監(jiān)測它們。研究小組在同一系統(tǒng)上進行了50次測量，而在以前的實驗中(只使用鈣離子)，這種重復讀數(shù)僅限于幾輪。

糾正措施

發(fā)現(xiàn)錯誤是一回事，采取行動糾正另一個錯誤。為了實現(xiàn)后者，研究人員開發(fā)了一個強大的控制系統(tǒng)，根據(jù)鈹離子偏離目標狀態(tài)的程度，可以反復推動鈹離子。將離子帶回軌道需要在微秒的時間尺度上進行復雜的信息處理。由于該系統(tǒng)使用的是經(jīng)典的控制電子技術，目前證明的方法也適用于基于信息載體而非捕獲離子的量子計算平臺。

重要的是，Negnevitsky, Marinelli, Mehta和他們的同事證明了這些技術也可以用來穩(wěn)定兩種鈹離子共享糾纏量子態(tài)的狀態(tài)，而這在經(jīng)典物理學中是沒有直接等價的。糾纏是賦予量子計算機獨特能力的一種成分。此外糾纏也可以用來提高精度測量的準確性。錯誤修正的成分，如現(xiàn)在證明的，可以使這些狀態(tài)持續(xù)更長的時間，提供有趣的前景，不僅為量子計算，而且為計量。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《Nature》

研究/來自：蘇黎世聯(lián)邦理工學院

DOI: 10.1038/s41586-018-0668-z

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