研究人员开发降噪量子位以最大限度地减少量子计算机中的错误

尽管它们有望解决新型问题，但当今的量子计算机天生就容易出错。它们周围环境的微小扰动——例如温度、压力或磁场的变化——都会破坏它们脆弱的计算构建块，称为量子位。

现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME)的研究人员开发了一种新方法，可以持续监测量子系统周围的噪声并实时调整量子位，以最大限度地减少误差。

Science中描述的这种方法依赖于旁观者量子位：一组嵌入计算机的量子位，其唯一目的是测量外部噪声而不是存储数据。这些观察者量子比特收集的信息随后可用于消除重要数据处理量子比特中的噪声。

助理。领导这项研究的HannesBernien教授将新系统比作降噪耳机，它会持续监测周围的噪音并发出相反的频率以将其消除。

“通过这种方法，我们可以非常有力地提高数据量子比特的质量，”Bernien说。“我认为这在量子计算和量子模拟的背景下非常重要。”

艰巨的挑战

随着现有量子计算机的规模扩大，噪声和错误的挑战也越来越大。问题有两个：量子位很容易根据环境发生变化，这会改变存储在其中的信息并导致高错误率。此外，如果科学家测量一个量子比特，试图测量它所暴露的噪声，量子比特状态就会崩溃，丢失其数据。

“试图纠正量子系统中的错误是一项非常艰巨而艰巨的任务，”Bernien说。

理论物理学家此前曾提出一种使用旁观者量子位的解决方案，旁观者量子位是一组不存储任何必要数据但可以嵌入量子计算机中的量子位。观察者量子位会追踪环境的变化，就像降噪耳机中的麦克风一样。当然，麦克风只能检测声波，而拟议的旁观者量子位会对任何能够改变量子位的环境扰动做出反应。

两种用于噪声消除的量子比特

Bernien的团队着手证明这一理论概念可用于消除中性原子量子阵列(他们首选的量子计算机)中的噪声。

在中性原子量子处理器中，使用称为光镊的激光束将原子悬浮在适当位置，Bernien帮助开发了这种激光束，为他赢得了诸如突破奖基金会颁发的2023年物理学新视野奖等荣誉。在这些悬浮原子的大型阵列中，每个原子都充当一个量子位，能够在其叠加状态下存储和处理信息。

2022年，Bernien及其同事首次报告了制造包含铷和铯原子的混合原子量子处理器的能力。现在，他们对处理器进行了改造，使铷原子充当数据量子位，而铯原子充当观察者量子位。该团队设计了一个系统来连续读取铷原子的实时数据，并作为响应，通过微波振荡调整铯原子。

Bernien说，挑战在于确保系统足够快——对铷原子的任何调整都必须几乎是瞬时的。

Bernien说：“这真正令人兴奋的是，它不仅最大限度地减少了数据量子比特的噪音，而且还是与量子系统实时交互的一个例子。”

原理验证

为了测试他们的误差最小化方法，Bernien的小组将量子阵列暴露在磁场噪声中。他们表明，铯原子正确地拾取了这种噪音，然后他们的系统实时消除了铷原子中的噪音。

然而，研究小组表示，最初的原型只是一个起点。他们想尝试增加噪声量并改变扰动的类型，并测试该方法是否有效。

Bernien说：“关于如何大幅提高该系统的灵敏度，我们有令人兴奋的想法，但要实施它还需要做更多的工作。”“这是一个很好的起点。”

最终，Bernien设想了一个由观察者量子比特组成的系统可以在任何中性原子量子计算机以及其他架构的量子计算机的背景下持续运行，从而最大限度地减少计算机存储数据和进行计算时的错误。

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