科技日報記者 張夢然

美國亞馬遜云科技量子計算中心團(tuán)隊在25日《自然》雜志的一篇論文中，演示了容錯量子計算的新突破：一種對硬件開銷需求更低的量子糾錯系統(tǒng)。這一系統(tǒng)使用了“貓量子比特”（cat qubits），其創(chuàng)新設(shè)計能抵抗可能會干擾量子系統(tǒng)輸出的特定類型的噪音和錯誤，同時實(shí)現(xiàn)量子比特需要的元器件總數(shù)比其他設(shè)計更少。

量子計算機(jī)很容易出錯，這限制了它們在特定任務(wù)上超越經(jīng)典計算機(jī)的潛力。量子糾錯方法是將信息分散到多個量子比特，幫助減少出錯，從而在不干擾計算的情況下發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤。不過，大部分量子糾錯方法通常依賴大量額外的量子比特來提供足夠的防出錯保護(hù)，這可能會在整體上降低效率。

團(tuán)隊此次利用名為“玻色子貓量子比特”進(jìn)行量子糾錯，探索了一種更高效的方式。“貓量子比特”來源于薛定諤的貓思想實(shí)驗，指的是量子系統(tǒng)可以同時處于兩個宏觀上截然不同的狀態(tài)的疊加態(tài)。量子信息處理中，其通常指由光子組成的量子態(tài)，這些光子的狀態(tài)可以是同時包含相位相反的相干態(tài)的疊加。

這些“貓量子比特”在硬件水平上對一類錯誤（稱為比特翻轉(zhuǎn)）有更高的固有抵抗力，其代價為更容易出現(xiàn)另一種錯誤（名為相位翻轉(zhuǎn)）。這種錯誤偏差能讓團(tuán)隊設(shè)計出只關(guān)注處理相位翻轉(zhuǎn)錯誤的量子糾錯代碼，得到一個對額外量子比特需求更低、整體上更高效的設(shè)計。

團(tuán)隊用一組“貓量子比特”演示了一個超導(dǎo)量子環(huán)路裝置，證明了有5個“貓量子比特”的糾錯代碼在每個周期的錯誤率從1.75%抑制到1.65%。此前，用更大糾錯代碼實(shí)現(xiàn)錯誤抑制需要幾十個額外量子比特。

結(jié)果表明，利用“玻色子貓量子比特”或是實(shí)現(xiàn)容錯量子計算的一個有效方式。團(tuán)隊指出，這種方法具有高效擴(kuò)展的潛力，但仍需進(jìn)一步優(yōu)化將性能提升到有望推動實(shí)際量子計算應(yīng)用的層面。

總編輯圈點(diǎn)

量子計算怎么才能不出錯又不耗更多資源？傳統(tǒng)量子糾錯方法，要依賴大量額外量子比特來“幫忙”，這就極大地增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和資源消耗。而現(xiàn)在“貓量子比特”的引入，有效緩解了這個問題。它要的不多，錯誤率卻能被有效抑制，無疑是一項重大的進(jìn)步。這一技術(shù)其實(shí)還處于初步階段，但它展示了高效擴(kuò)展的潛力。隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，基于“貓”的量子糾錯方案，很可能會成為推動量子計算實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。