艺术家对逻辑量子比特的门操作的印象，通过量子纠错保护其免受故障影响。图片来源：Johannes Knünz

演示容错量子计算的基本构建块

由于高质量的制造，信息处理和存储过程中的错误在现代计算机中变得罕见。但是，对于关键应用程序，即使单个错误也可能产生严重影响，仍然使用基于已处理数据冗余的纠错机制。

量子计算机本质上更容易受到干扰，因此几乎肯定会总是需要纠错机制。否则，错误将在不受控制的情况下在系统中传播，并且信息将丢失。由于量子力学的基本定律禁止复制量子信息，因此可以通过将逻辑量子信息分配到几个物理系统的纠缠状态（例如，多个单独的原子）来实现冗余。

由因斯布鲁克大学实验物理系的Thomas Monz和德国亚琛工业大学和Forschungszentrum Jülich的Markus Müller领导的研究团队现在首次成功地在两个逻辑量子位上实现了一组计算操作，可用于实现任何可能的操作。“对于现实世界的量子计算机，我们需要一套通用的门，我们可以用它来编程所有算法，”来自因斯布鲁克的实验物理学家Lukas Postler解释说。

实现基本量子运算

研究小组在具有16个被捕获原子的离子阱量子计算机上实现了这种通用门集。量子信息存储在两个逻辑量子位中，每个位分布在七个原子上。

现在，这是第一次，已经有可能在这些容错量子比特上实现两个计算门，这对于一组通用的门是必要的：在两个量子比特（一个CNOT门）和一个逻辑T门上进行计算操作，这在容错量子比特上特别困难。

演示了容错量子计算的基本构建块。图片来源：Uni Innsbruck/Harald Ritsch

“T门是非常基本的操作，”理论物理学家Markus Müller解释说。“它们特别有趣，因为没有T门的量子算法可以在经典计算机上相对容易地模拟，从而否定任何可能的加速。对于具有T门的算法来说，这不再可能。物理学家通过在逻辑量子位中制备特殊状态并通过纠缠门操作将其传送到另一个量子位来演示T门。

复杂性增加，但准确性也增加

在编码的逻辑量子比特中，存储的量子信息受到保护，不会出错。但是，如果没有计算操作，这是无用的，这些操作本身就容易出错。

研究人员已经对逻辑量子位实施了操作，使得由底层物理操作引起的错误也可以被检测和纠正。因此，他们已经在编码的逻辑量子位上实现了一组通用门的第一个容错实现。

“与非容错操作相比，容错实现需要更多的操作。这将在单个原子的规模上引入更多的错误，但是逻辑量子位上的实验操作比非容错逻辑操作更好，“Thomas Monz很高兴地报告。“工作量和复杂性增加，但由此产生的质量更好。研究人员还在经典计算机上使用数值模拟来检查并确认了他们的实验结果。

物理学家现在已经证明了量子计算机上容错计算的所有构建块。现在的任务是在更大，因此更有用的量子计算机上实现这些方法。因斯布鲁克在离子阱量子计算机上演示的方法也可以用于量子计算机的其他架构。

参考文献：Lukas Postler，Sascha Heuβen，Ivan Pogorelov，Manuel Rispler，Thomas Feldker，Michael Meth，Christian D. Marciniak，Roman Stricker，Martin Ringbauer，Rainer Blatt，Philipp Schindler，Markus Müller和Thomas Monz的“容错通用量子门操作的演示”，2022年5月25日，Nature。DOI： 10.1038/s41586-022-04721-1

除其他外，欧洲联盟在量子旗舰倡议的框架内以及奥地利研究促进局FFG、奥地利科学基金会FWF和奥地利工业联合会为这项研究提供了财政支助。