能“自我反省”的量子計算機

  科學日報報導,近日西班牙和奧地利的物理學家們密切合作, 對分佈在一些粒子之間的量子糾纏態進行了實驗性量子比特(qubit)編碼,並首次對它進行了簡單的計算。這個七量子比特的量子寄存器可以被用作量子計算機的基本建構單元,後者能夠對任何類型的錯誤進行糾正。研究人員的研究結果被發表在期刊《科學》上。  即使是計算機也易於出錯。最細微的干擾都可能改變已保存的信息並篡改計算結果。為了克服這些問題,計算機會運行特定的日常活動以持續的檢測和糾正錯誤。對於未來的量子計算機也是如此,它也需要糾錯程序:“量子現象非常脆弱也易於出錯。錯誤可能會迅速的傳播並嚴重的擾亂計算機,”奧地利因斯布魯克大學實驗物理研究所的科學家瑞納·布拉特(Rainer Blatt)帶領的研究小組的成員托馬斯·莫恩滋(Thomas Monz)這樣說道。 與西班牙馬德里康普頓斯大學理論物理學學院的馬庫斯·穆勒(Markus Müller)以及米格爾·安吉爾·馬丁-德爾加多(Miguel Angel Martin-Delgado)密切合作,因斯布魯克大學的物理學家們修訂了一套新的量子糾錯方法,並對它進行了實驗性的測試。 “量子比特極其複雜,且無法簡單的複制。此外,這些微觀量子世界裡的錯誤是多方面的,比傳統計算機裡的糾錯要更加困難。” 莫恩滋這樣強調道。 “為了在量子計算機裡檢測並糾正錯誤,我們需要高度成熟的所謂的量子糾錯碼。” 目前實驗裡所使用的拓撲碼是由馬德里馬丁-德爾加多帶領的科研小組提出的。量子比特被分佈在二維的晶格里,它們可以與臨近的粒子發生相互作用。 七個離子裡編碼的量子比特 在因斯布魯克大學進行的實驗裡,物理學家將七個鈣原子限定在一個離子阱裡,使得後者能夠將這些原子冷卻到接近絕對零度並通過激光束對它們進行精確的控制。研究人員將單獨的邏輯量子比特編碼成糾纏態的量子,而量子糾錯碼為這個程序提供了這樣的編碼過程。 “對七個物理量子比特的邏輯量子比特進行編碼是一項真正的實驗性挑戰,”瑞納·布拉特的研究小組成員丹尼爾·尼格(Daniel Nigg)這樣說道。物理學家通過三個步驟實現了這一目標,在每一個步驟裡都使用了複雜的激光脈衝序列以創造四個臨近量子比特的糾纏。 “通過以一種可以控制的方式擾亂七個原子裡單一量子比特的信息,我們首次實現了對單一量子比特的編碼,” 馬庫斯·穆勒激動的說道。 “當我們以這樣特定的方式實現原子糾纏,它為接下來的糾錯和可能的計算提供了足夠多的信息。” 無錯誤的操作 在另外一個步驟裡,物理學家測試了這一編碼檢測和糾正不同類型的錯誤的能力。 “我們論證了在這樣的量子系統裡,我們能夠獨立的檢測和糾正每一個粒子裡可能的錯誤,” 丹尼爾·尼格說道。 “我們只需要這些粒子之間關聯性的信息,無需對單一粒子進行測量。”尼格的同事埃斯特班·馬丁內斯(Esteban Martinez)這樣解釋道。除了可靠的檢測單一錯誤,物理學家們還首次對邏輯編碼的量子比特進行了單一甚至迭代運算。一旦克服了複雜編碼過程的障礙,每一個單一的門運算只需要簡單的單一量子比特門運算就足夠。 “利用這種量子編碼,我們可以執行基本的量子操作並同時糾正所有可能的錯誤,” 莫恩滋這樣說道。他將這看做是通向可靠容錯的量子計算機的道路的重要里程碑。 未來創新的基礎 由西班牙和奧地利物理學家開發的新方法組成了未來革新的基礎。 “這種應用於編碼單個邏輯量子比特的7離子系統可以作為更大的量子系統的建構單元,”理論物理學家穆勒這樣說道。 “晶格越大,它將變得越穩健。產生的結果可能是能夠進行任何數量的運算且不受到錯誤阻礙的量子計算機。” 目前的實驗不僅打開了技術革新的新方向,“還會產生新的問題,例如首先將應用哪種方法來描繪這樣的大邏輯量子比特,” 瑞納·布拉特這樣說道。 “此外我們計劃進一步合作研發所使用的量子編碼,實現最優化以用於更廣泛的運算。”馬丁-德爾加多補充說道。   Source: http://www.cnbeta.com/articles/301787.htm
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