實(shí)驗(yàn)室成員：左起依次為Dolev Bluvstein、Harry Levine（視頻成員）、Sepehr Ebadi、Mikhail Lukin （圖片來源：哈佛大學(xué)）

試想一下，一邊飛行一邊制造飛機(jī)會(huì)是一種什么體驗(yàn)？看似不可能，而對于哈佛大學(xué)的物理學(xué)科學(xué)家研究團(tuán)隊(duì)來說，這種“奇思妙想”可能是最終建造大型量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵。

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在國際頂級期刊《Nature》（自然）上發(fā)表的一篇新論文表明，由哈佛大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，以及來自QuEra Computing、麻省理工學(xué)院和因斯布魯克大學(xué)等的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種處理量子信息的新方法：通過平移的方式動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)中原子的布局，并在計(jì)算過程中將它們相互連接。

在計(jì)算過程中“洗牌”量子比特

這種方法類似于在計(jì)算過程中對量子比特進(jìn)行“洗牌”，在保留其量子相干態(tài)的同時(shí)極大地?cái)U(kuò)展了處理能力并支持自我糾錯(cuò)。哈佛大學(xué)表示，利用量子力學(xué)的奇異性，該方法將解決構(gòu)建大型機(jī)器的重要問題，并有望為材料學(xué)、通信技術(shù)、金融等領(lǐng)域帶來實(shí)用化突破。

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哈佛大學(xué)量子計(jì)劃聯(lián)合主任、該研究的高級作者之一、喬治·瓦斯默·萊弗雷特（George Vasmer Leverett）物理學(xué)教授Mikhail Lukin說：“建造大型量子計(jì)算機(jī)之所以困難，是因?yàn)闀?huì)受到噪聲影響從而出錯(cuò)。減少這些錯(cuò)誤的一種方法是讓量子比特質(zhì)量越來越好，而另一種更系統(tǒng)和更實(shí)用的方法則是進(jìn)行量子糾錯(cuò)。這意味著即使存在一些錯(cuò)誤，我們也可以在計(jì)算過程中以冗余的方式來糾正?！?/p>

在經(jīng)典計(jì)算中，糾錯(cuò)是通過簡單地從單個(gè)二進(jìn)制數(shù)字或比特中復(fù)制信息來完成，由此可以清楚地知道何時(shí)何地出現(xiàn)了錯(cuò)誤。比如單個(gè)0的1比特可以復(fù)制3次讀到000，而突然讀到001時(shí)就能夠清楚知道哪里錯(cuò)了，以此改正。在量子力學(xué)中，一個(gè)基本限制是受量子特性影響信息不能被復(fù)制，這使得糾錯(cuò)變得困難。

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目前，研究人員采取的解決方法是，為原子及其信息創(chuàng)建一種備份系統(tǒng)——量子糾錯(cuò)碼：研究人員使用他們的新技術(shù)創(chuàng)建了許多這樣的校正代碼，包括被稱之為“toric”的編碼（toric code是一個(gè)拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼，是可用于量子糾錯(cuò)的拓?fù)溆行蛄孔游锵嗟牡湫屠樱?，并將它們傳播運(yùn)用到整個(gè)系統(tǒng)中。

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領(lǐng)導(dǎo)研究這項(xiàng)工作的Lukin小組物理系研究生Dolev Bluvstein表示：“一個(gè)關(guān)鍵思路是，我們希望獲取單個(gè)量子比特的信息，并將其盡可能非本地傳播到多個(gè)量子比特中，這樣如果這些量子比特中的任何一個(gè)發(fā)生錯(cuò)誤，實(shí)際并不會(huì)對整個(gè)狀態(tài)產(chǎn)生太大影響?！?/p>

操控糾纏實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)

該方法之所以成為可能，源自愛因斯坦稱之為“遠(yuǎn)距離的幽靈行動(dòng)”的量子糾纏性。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新方法，可以讓任意量子比特都與任何其他量子比特按需連接，在這種情況下，無論相距多遠(yuǎn)，兩個(gè)原子相互連接就能交換信息。

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Bluvstein進(jìn)一步說道：“這種量子糾纏性還可以存儲(chǔ)和處理成倍增長的信息量。”

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該團(tuán)隊(duì)透露，自2017年以來，實(shí)驗(yàn)室一直在研制可編程量子模擬器，新工作建立在這些基礎(chǔ)上，通過添加新功能，使其能夠在不丟失量子態(tài)以及在量子比特運(yùn)行的情況下移動(dòng)糾纏原子。

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根據(jù)早前對量子系統(tǒng)的研究，該團(tuán)隊(duì)證明了，一旦計(jì)算過程開始，原子/量子比特就會(huì)卡在其當(dāng)前位置，并僅與附近的量子比特相互作用，從而限制了它們之間可以進(jìn)行的量子計(jì)算和模擬的方式。

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更關(guān)鍵的是研究人員可以在被稱之為超精細(xì)量子比特中創(chuàng)建和存儲(chǔ)信息。這些更強(qiáng)大的量子比特的量子相干時(shí)間明顯長于系統(tǒng)中的常規(guī)量子比特（數(shù)秒與數(shù)微秒），由此為研究人員們提供了更多將它們與其它量子比特（甚至是遙遠(yuǎn)的量子比特）實(shí)現(xiàn)糾纏所需的時(shí)間，從而支持創(chuàng)建糾纏量子比特的復(fù)雜狀態(tài)。整個(gè)過程為：

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首先，研究人員對量子比特進(jìn)行初始配對，通過發(fā)射一個(gè)全局激光脈沖創(chuàng)建一對糾纏的量子門，將這對量子比特的信息存儲(chǔ)在超精細(xì)量子比特中；其次，利用光鑷技術(shù)用一束高度聚焦的激光束形成二維陣列，移動(dòng)這些量子比特可以與系統(tǒng)中的其他量子比特發(fā)生糾纏形成新的配對；然后，研究人員可以通過不斷重復(fù)這些步驟，從而創(chuàng)建出不同種類的量子電路來執(zhí)行不同算法。其最終所呈現(xiàn)出來的是，系統(tǒng)中的原子都將以“集群”的狀態(tài)連接起來，并且足以能夠在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)完成信息備份。

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目前，基于這樣的架構(gòu)，Bluvstein和他的同事已生成了一個(gè)可編程的糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，具有24個(gè)量子比特，他們計(jì)劃不斷擴(kuò)大規(guī)模。

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Lukin教授表示：“短期內(nèi)，我們基本上可以將這種新方法作為一種‘沙盒’，從而真正地開發(fā)用于糾錯(cuò)和探索量子算法的實(shí)用方法?！瞳@得大規(guī)模、有用的量子計(jì)算機(jī)’而言，我們現(xiàn)在已經(jīng)爬到了足夠高的山坡上，甚至看到了山頂在哪里，并看到了通往山頂?shù)穆窂?。?/p>

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這項(xiàng)工作獲得了多個(gè)部門的支持，包括美國超冷原子中心、美國國家科學(xué)基金會(huì)、Vannevar Bush學(xué)院獎(jiǎng)學(xué)金、美國能源部量子系統(tǒng)加速器、美國海軍研究辦公室、美國陸軍研究辦公室MURI和DARPA ONISQ計(jì)劃。

原文鏈接：https://news.harvard.edu/gazette/story/2022/05/moving-entangled-atoms-in-quantum-processor/

文：Juan Siliezar編譯：李每編輯：慕一
注：本文編譯自“?Harvard”，不代表量子前哨觀點(diǎn)。

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