无误差量子计算机或现实

根据25日发表在《自然》期刊上的论文，由奥地利因斯布鲁克大学实验物理系的Thomas Muntz、德国亚琛工业大学的Marcus Muller和德国Ulrich研究中心领导的团队演示了容错量子计算的基本构建模块。它首次成功实现了在两个逻辑量子位上的一组计算操作，可以用来实现任何可能的操作，这意味着无错量子计算机将成为现实。

量子计算机天生更容易受到环境的干扰，因此可能总是需要纠错机制，否则错误将在系统中不受控制地传播，信息将会丢失。量子不可克隆定理表明，不可能精确复制任何未知的量子态。因此，通过将逻辑量子信息分布到多个物理系统的纠缠态，比如多个单个原子，就可以实现冗余。

因布鲁克的实验物理学家卢卡斯博斯勒(Lucas Bosler)解释说，“对于现实世界中的量子计算机，我们需要一套通用的门，用它我们可以编写所有的算法。”

研究小组在一台离子阱量子计算机上实现了这个通用门集，该计算机有16个被捕获的原子。量子信息存储在两个逻辑量子位中，每个量子位分布在七个原子上。

现在，研究人员首次可以在这些容错量子位上实现两个计算门，这是通用门集所必需的：一个作用于两个量子位的门(一个控制非门)和一个逻辑T门，这在容错量子位上实现特别困难。

物理学家通过在一个逻辑量子位中制备一种特殊状态，并通过纠缠门操作将其传输到另一个量子位，从而演示了T门。

在编码的逻辑量子位中，存储的量子信息受到保护，不会出错。但是如果没有计算操作，那就没用了，这些操作本身就容易出错。因此，研究人员操纵了逻辑量子位，从而可以检测和纠正底层物理操作导致的错误。因此，他们在编码的逻辑量子位上实现了第一个通用门集的容错实现。

容错的实现比非容错需要更多的操作。这将在单个原子的尺度上引入更多的误差。工作量和复杂性增加，但生产的质量更好。研究人员还使用经典计算机上的数值模拟来检查和确认他们的实验结果。

研究人员已经在量子计算机上展示了容错计算的所有基础。现在的任务是在更大更有用的量子计算机上实现这些方法。这种在离子阱量子计算机上演示的方法也可以用于其他量子计算机体系结构。