據(jù)25日發(fā)表在《自然》雜志上的論文，由奧地利因斯布魯克大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理系的托馬斯·蒙茲、德國亞琛工業(yè)大學(xué)的馬庫斯·穆勒和德國于利希研究中心領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)展示了容錯(cuò)量子計(jì)算的基本構(gòu)建模塊，首次成功地實(shí)現(xiàn)了對兩個(gè)邏輯量子位的一組計(jì)算操作，可以用來實(shí)現(xiàn)任何可能的操作，意味著無差錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實(shí)。

  量子計(jì)算機(jī)本質(zhì)上更容易受到來自環(huán)境的干擾，因此可能總是需要糾錯(cuò)機(jī)制，否則錯(cuò)誤將在系統(tǒng)中不受控制地傳播，信息將丟失。量子不可克隆定理表明，對任意一個(gè)未知的量子態(tài)進(jìn)行完全相同的復(fù)制的過程是不可實(shí)現(xiàn)的，因此可以通過將邏輯量子信息分配到多個(gè)物理系統(tǒng)的糾纏態(tài)來實(shí)現(xiàn)冗余，例如多個(gè)單獨(dú)的原子。

  因斯布魯克實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家盧卡斯·波斯勒解釋說：“對于現(xiàn)實(shí)世界的量子計(jì)算機(jī)，我們需要一套通用的門，用它我們可以對所有算法進(jìn)行編程。”

  研究團(tuán)隊(duì)在具有16個(gè)被捕獲原子的離子阱量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了這個(gè)通用門集。量子信息存儲在兩個(gè)邏輯量子位中，每個(gè)量子位分布在七個(gè)原子上。

  現(xiàn)在，研究人員首次可以在這些容錯(cuò)量子位上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)計(jì)算門，這對于通用門集是必要的：對兩個(gè)量子位進(jìn)行作用的門（一個(gè)控—非門）和一個(gè)邏輯T門，這在容錯(cuò)量子位上特別難實(shí)現(xiàn)。

  物理學(xué)家們通過在邏輯量子位中準(zhǔn)備一個(gè)特殊的狀態(tài)，并通過糾纏門操作將其傳送到另一個(gè)量子位來演示了T門。

  在編碼的邏輯量子位中，存儲的量子信息受到保護(hù)，不會出錯(cuò)。但是如果沒有計(jì)算操作，這是沒有用處的，而且這些操作本身很容易出錯(cuò)。于是，研究人員對邏輯量子位進(jìn)行了操作，這樣就可以檢測和糾正由底層物理操作造成的錯(cuò)誤。因此，他們在編碼的邏輯量子位上實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)通用門集合的容錯(cuò)實(shí)現(xiàn)。

  容錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)比非容錯(cuò)需要更多的操作。這將在單個(gè)原子的尺度上引入更多的誤差。工作量和復(fù)雜性增加了，但產(chǎn)生的質(zhì)量更好。研究人員還使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)上的數(shù)值模擬來檢查和確認(rèn)他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

  研究人員已經(jīng)展示了在量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行容錯(cuò)計(jì)算的所有基礎(chǔ)。現(xiàn)在的任務(wù)是在更大的、更有用的量子計(jì)算機(jī)上實(shí)施這些方法。在離子阱量子計(jì)算機(jī)上演示的這種方法也可以用于其他量子計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。