應如何應對量子時代的錯誤？

量子系統可以以極高的精度操作，但不是完美的。蘇黎世聯邦理工學院物理系的研究人員現在已經演示了如何監測和糾正這種操作過程中出現的錯誤。近年來，量子計算領域取得了巨大的進展。量子設備正越來越多地挑戰傳統計算機，至少是少數幾個選定的任務。儘管有目前的進展，今天的量子信息處理器仍然在努力處理錯誤，這在任何計算中不可避免地發生。這種無法有效糾正錯誤的做法阻礙了對量子信息進行持續、大規模處理的努力。現在量子電子研究所的Jonathan Home小組的一系列實驗，第一次整合了一個實驗中進行量子誤差修正所需的一系列元素，這些研究結果發表在2018年11月6日的《自然》雜誌上。

博科園-科學科普：就像經典的量子計算機一樣，量子計算機是由不完美的元件構成的，它們對外界的干擾更加敏感。在執行計算時，這不可避免地會導致錯誤。對於傳統的計算機，存在一個完善的檢測和糾正此類錯誤的工具包。量子計算機將更加依賴於定位和修復錯誤。這需要考慮到信息在量子態中編碼這一事實的概念上的不同方法。特別是，重複地讀出量子信息而不干擾它，這是檢測錯誤的要求，並且實時地對這些錯誤作出反應是相當大的挑戰。

重複的性能

主基在一個陷阱中串在一起的單個離子的量子態中編碼量子信息。通常這些弦只包含一種離子。但是博士生弗拉德·內格維茨基和馬特奧·馬里內利，以及博士後卡蘭·梅赫塔和其他同事，現在已經創造出了一種弦，他們在弦中捕獲了兩種不同的物種——兩種鈹離子(9Be+)和一種鈣離子(40Ca+)。這種混合物種的字元串以前也有過，但研究小組用了新穎的方式來使用它們。利用了這兩個物種明顯不同的特性，特別是在他們的實驗中，用不同顏色的光操縱和測量鈹和鈣離子。這為一種物種的研究開闢了一條不干擾另一種物種的途徑。

兩個鈹離子(以藍色球體為代表)之間的量子關聯使用輔助鈣離子(紅色球體)進行順序測量，並通過一個功能強大的經典控制系統(右下)通過反饋控制穩定下來，該系統具有靈活的順序處理功能。圖片：ETH Zurich / Home group

與此同時，ETH的研究人員發現了讓不同的離子相互作用的方法，這樣一來，對鈣離子的測量就能得到鈹離子量子態的信息，而不會破壞這些脆弱態。重要的是，當鈹離子受到缺陷和誤差的影響時，物理學家們反覆監測它們。研究小組在同一系統上進行了50次測量，而在以前的實驗中(只使用鈣離子)，這種重複讀數僅限於幾輪。

糾正措施

發現錯誤是一回事，採取行動糾正另一個錯誤。為了實現後者，研究人員開發了一個強大的控制系統，根據鈹離子偏離目標狀態的程度，可以反覆推動鈹離子。將離子帶回軌道需要在微秒的時間尺度上進行複雜的信息處理。由於該系統使用的是經典的控制電子技術，目前證明的方法也適用於基於信息載體而非捕獲離子的量子計算平台。

重要的是，Negnevitsky, Marinelli, Mehta和他們的同事證明了這些技術也可以用來穩定兩種鈹離子共享糾纏量子態的狀態，而這在經典物理學中是沒有直接等價的。糾纏是賦予量子計算機獨特能力的一種成分。此外糾纏也可以用來提高精度測量的準確性。錯誤修正的成分，如現在證明的，可以使這些狀態持續更長的時間，提供有趣的前景，不僅為量子計算，而且為計量。