麻省理工學院在全面實現量子計算方面取得重大進展

在量子計算機中，信息的處理是一個極其微妙的過程，計算實際上由脆弱的量子比特執行，它們極易受到退相干的影響，即失去其量子力學行為。麻省理工學院的研究人員在全面實現量子計算的道路上取得了重大進展，他們展示了一種技術，消除了量子算法中最基本的操作-雙量子位操作或 ‘門’的常見錯誤。

"盡管在能夠用超導量子比特（qubits）進行低錯誤率的計算方面取得了巨大的進展，但作為量子計算的構件之一，雙qubit門中的錯誤仍然存在，"麻省理工學院電氣工程和計算機科學專業的研究生Youngkyu Sung說，他是2021年6月16日發表在《物理評論X》上關于這一主題的論文的主要作者。

在Sung和他所在的研究小組--麻省理工學院工程量子系統部之前進行的研究中提出了可調諧耦合器的概念，允許研究人員打開和關閉兩個量子比特的相互作用，以控制其操作，同時保留脆弱的量子比特。可調諧耦合器的想法代表了一個重大的進步，例如，被Google引用為他們最近展示的量子計算比經典計算的優勢的關鍵。

然而，解決錯誤機制就像剝洋蔥一樣。剝開一層就會發現下一層。在這種情況下，即使使用可調諧的耦合器，雙量子比特門仍然容易出現錯誤，這些錯誤是由兩個量子比特之間以及量子比特和耦合器之間的剩余不需要的相互作用造成的。在可調諧耦合器出現之前，這種不需要的相互作用通常被忽略，因為它們并不突出--但現在它們卻顯得突出了。而且，由于這種殘余誤差隨著量子比特和門的數量增加而增加，它們阻礙了建立更大規模的量子處理器的道路。

《物理評論X》的論文提供了一種新的方法來減少這種誤差。

電氣工程和計算機科學副教授、麻省理工學院林肯實驗室研究員、量子工程中心主任、工程量子系統組所在的電子研究實驗室副主任威廉-D-奧利弗說："我們現在進一步采用了可調諧耦合器的概念，證明了兩種主要類型的雙量子比特門的保真度接近99.9%，即被稱為可控Z門和iSWAP門。"

更高保真度的閘門增加了一個人可以執行的操作數量，更多的操作轉化為在更大的規模上實施更復雜的算法。

為了消除引起錯誤的量子比特之間的相互作用，研究人員利用耦合器的更高能量水平來抵消有問題的相互作用。在以前的工作中，耦合器的這種能量水平被忽略了，盡管它們誘發了不可忽略的雙量子位相互作用。

"更好地控制和設計耦合器是按照我們的愿望定制量子位-量子位相互作用的一個關鍵。這可以通過對存在的多級動力學進行工程設計來實現，"Sung說。下一代量子計算機將是糾錯的，這意味著將增加額外的量子比特以提高量子計算的穩健性。

奧利弗說："量子比特錯誤可以通過增加冗余來積極解決。"然而，他指出，這樣的過程只有在門足夠好的情況下才能發揮作用--超過一定的保真度閾值，這取決于糾錯協議。"今天最寬松的閾值是99%左右。然而，在實踐中，人們尋求比這一閾值高得多的柵極保真度，以便與合理的硬件冗余水平共存。"

這項研究中使用的設備是在麻省理工學院林肯實驗室制造的，是在雙量子比特操作中實現保真度的基礎。制造高相干性設備是實現高保真控制的第一步。雙量子位門的高錯誤率大大限制了量子硬件運行通常難以用經典計算機解決的量子應用的能力，如量子化學模擬和解決優化問題。到目前為止，只有小分子在量子計算機上進行了模擬，這些模擬可以很容易地在經典計算機上進行。

從這個意義上說，我們減少雙量子比特門誤差的新方法在量子計算領域是及時的，有助于解決當今最關鍵的量子硬件問題之一。