據5月25日發表在《自然》雜志上的論文,由奧地利因斯布魯克大學實驗物理系的托馬斯·蒙茲、德國亞琛工業大學的馬庫斯·穆勒和德國于利希研究中心領導的團隊展示了容錯量子計算的基本構建模塊,首次成功地實現了對兩個邏輯量子位的一組計算操作,可以用來實現任何可能的操作,意味著無差錯量子計算機或將成為現實。

量子計算機本質上更容易受到來自環境的干擾,因此可能總是需要糾錯機制,否則錯誤將在系統中不受控制地傳播,信息將丟失。量子不可克隆定理表明,對任意一個未知的量子態進行完全相同的復制的過程是不可實現的,因此可以通過將邏輯量子信息分配到多個物理系統的糾纏態來實現冗余,例如多個單獨的原子。

因斯布魯克實驗物理學家盧卡斯·波斯勒解釋說:“對于現實世界的量子計算機,我們需要一套通用的門,用它我們可以對所有算法進行編程。”

研究團隊在具有16個被捕獲原子的離子阱量子計算機上實現了這個通用門集。量子信息存儲在兩個邏輯量子位中,每個量子位分布在七個原子上。

現在,研究人員首次可以在這些容錯量子位上實現兩個計算門,這對于通用門集是必要的:對兩個量子位進行作用的門(一個控—非門)和一個邏輯T門,這在容錯量子位上特別難實現。

物理學家們通過在邏輯量子位中準備一個特殊的狀態,并通過糾纏門操作將其傳送到另一個量子位來演示了T門。

在編碼的邏輯量子位中,存儲的量子信息受到保護,不會出錯。但是如果沒有計算操作,這是沒有用處的,而且這些操作本身很容易出錯。于是,研究人員對邏輯量子位進行了操作,這樣就可以檢測和糾正由底層物理操作造成的錯誤。因此,他們在編碼的邏輯量子位上實現了第一個通用門集合的容錯實現。

容錯的實現比非容錯需要更多的操作。這將在單個原子的尺度上引入更多的誤差。工作量和復雜性增加了,但產生的質量更好。研究人員還使用經典計算機上的數值模擬來檢查和確認他們的實驗結果。

研究人員已經展示了在量子計算機上進行容錯計算的所有基礎。現在的任務是在更大的、更有用的量子計算機上實施這些方法。在離子阱量子計算機上演示的這種方法也可以用于其他量子計算機的體系結構。