内置纠错功能的物理量子位

发布时间:2024-02-03 04:00:05

 

来源:Pixabay/CC0公共领域

 

量子计算领域取得了重大进展。谷歌和IBM等全球大公司已经在提供基于云的量子计算服务。然而,量子计算机还不能帮助解决标准计算机达到其能力极限时发生的问题,因为量子比特或量子比特(即量子信息的基本单位)的可用性仍然不足。

 

其中一个原因是裸量子比特不能立即用于运行量子算法。传统计算机的二进制位以固定值0或1的形式存储信息,而量子位可以同时表示0和1,从而使其值的概率发挥作用。这就是所谓的量子叠加。这使得它们非常容易受到外部影响,这意味着它们存储的信息很容易丢失。为了保证量子计算机提供可靠的结果,有必要产生一个真正的纠缠,将几个物理量子比特连接在一起,形成一个逻辑量子比特。如果其中一个物理量子位失效,其他量子位将保留信息。然而,阻碍功能性量子计算机发展的主要困难之一是需要大量的物理量子比特。

 

基于光子的方法的优点

 

为了使量子计算可行,人们采用了许多不同的概念。例如,大公司目前依赖于超导固态系统,但这些系统的缺点是它们只能在接近绝对零度的温度下工作。另一方面,光子概念在室温下工作。

 

单光子通常充当物理量子位。这些光子,从某种意义上说,是光的微小粒子,本质上比固态量子比特运行得更快,但同时也更容易丢失。为了避免量子比特损失和其他错误,有必要将几个单光子光脉冲耦合在一起来构建一个逻辑量子比特——就像基于超导体的方法一样。

 

具有固有纠错能力的量子比特

 

东京大学的研究人员与来自德国美因茨约翰内斯古腾堡大学(JGU)和捷克共和国Palacký奥洛穆茨大学的同事一起,最近展示了一种构建光子量子计算机的新方法。该团队没有使用单个光子,而是使用了由几个光子组成的激光产生的光脉冲。这项研究发表在《科学》杂志上。美因茨大学的彼得·范·洛克教授说:“我们的激光脉冲被转换成量子光学状态,这给了我们一种固有的纠正错误的能力。”“虽然该系统仅由激光脉冲组成,因此非常小,但原则上它可以立即消除错误。”因此,不需要通过许多光脉冲产生单个光子作为量子比特,然后让它们作为逻辑量子比特相互作用。

 

“我们只需要一个光脉冲就能获得一个强大的逻辑量子比特,”范·洛克补充道。换句话说,在这个系统中,物理量子位已经等同于逻辑量子位——这是一个非凡而独特的概念。然而,东京大学实验产生的逻辑量子位还没有足够的质量来提供必要的容错水平。尽管如此,研究人员已经清楚地证明,使用最创新的量子光学方法,将非普遍可校正的量子比特转换为可校正的量子比特是可能的。

 

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