澳大利亞悉尼大學(xué)納米研究所團(tuán)隊(duì)采用量子計(jì)算糾錯(cuò)編碼——戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基爾碼（GKP），首次展示了GKP量子比特的通用邏輯門(mén)集，大幅減少了運(yùn)算所需的物理量子比特?cái)?shù)量，為量子硬件高效處理信息奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)成果21日發(fā)表于《自然·物理學(xué)》雜志。

要建造可用的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)，必須克服量子比特在運(yùn)算中自發(fā)產(chǎn)生的錯(cuò)誤。科學(xué)家通常通過(guò)“邏輯量子比特”來(lái)抑制錯(cuò)誤，但這需要更多的物理量子比特作為代價(jià)。隨著規(guī)模擴(kuò)大，硬件需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，成為一個(gè)工程難題。

圖片:388537_0074be75-3ad1-45c4-9cf4-dc160049dcdd.jpg

主要作者兼博士生瓦西里·馬索斯正在悉尼大學(xué)量子控制實(shí)驗(yàn)室研究保羅陷阱量子計(jì)算設(shè)備。

GKP碼能將連續(xù)、平滑的量子振蕩“翻譯”為干凈的離散狀態(tài)，使錯(cuò)誤更易識(shí)別和修正，從而以更緊湊的方式編碼邏輯量子比特。多年來(lái)，GKP碼一直停留在理論層面，因過(guò)于復(fù)雜而難以操控。新研究首次把這一理論變成現(xiàn)實(shí)。

在3組實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)利用保羅阱和室溫激光陣列來(lái)囚禁并操控單個(gè)鐿離子（即帶電原子），并用其自然振蕩來(lái)存儲(chǔ)GKP碼，首次實(shí)現(xiàn)了邏輯量子比特之間的糾纏邏輯門(mén)。

邏輯門(mén)是一種信息開(kāi)關(guān)，使得無(wú)論是經(jīng)典計(jì)算機(jī)還是量子計(jì)算機(jī)，都能被編程執(zhí)行邏輯運(yùn)算。量子邏輯門(mén)利用量子比特之間的糾纏來(lái)運(yùn)行，是量子計(jì)算機(jī)具有巨大潛力的根基。此次成果得益于新開(kāi)發(fā)的量子控制軟件，軟件基于物理模型設(shè)計(jì)邏輯門(mén)，盡可能減少對(duì)GKP碼的擾動(dòng)，從而在處理信息時(shí)保持其精細(xì)結(jié)構(gòu)。

GKP糾錯(cuò)碼長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為能緩解量子計(jì)算機(jī)資源開(kāi)銷(xiāo)緊張狀況。研究結(jié)果證明了這一設(shè)想在物理上可行。該成果也意味著，未來(lái)量子計(jì)算機(jī)在硬件規(guī)模和運(yùn)行效率之間有望找到新的平衡點(diǎn)，加速其從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没��?/p>