Science：“消除噪音”量子比特实现了纠错的重大突破

光子盒研究院

在《科学》杂志的一篇新论文中，芝加哥大学普利兹克分子工程学院Hannes Bernien助教实验室的研究人员描述了一种不断监测量子系统周围噪音并实时调整量子比特以减少误差的方法——他们引入了“旁观者量子比特(spectator qubit)”。

尽管他们有解决新型问题的巨大希望，但今天的量子计算机本质上是容易出错的。它们周围环境的一个小扰动（例如，温度、压力或磁场的变化）都会破坏它们脆弱的计算构件——即量子比特）。

现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员开发出的新方法，可以不断监测量子系统周围的噪音，并实时调整量子比特，以尽量减少误差。

《科学》杂志在线描述的这种方法依赖于“旁观者量子比特”：一组嵌入计算机中的量子比特，其唯一目的是测量外部噪声而不是存储数据。这种旁观者量子比特收集的信息随后可以用来抵消重要的数据、以处理量子比特的噪声。

Hannes Bernien

领导这项研究的Hannes Bernien助教将新系统比作降噪耳机：它可以不断监测周围的噪音，并发出相反的频率来消除它们。

“通过这种方法，我们可以非常稳健地提高数据量子比特的质量，”Bernien说：“我认为这在量子计算和量子模拟方面是非常重要的。”

纠错，向来都是量子系统中一个艰巨的挑战。

随着现有量子计算机规模的扩大，噪音和错误的挑战也越来越大。这个问题是双重的：量子很容易随着环境的变化而变化：这可能会改变存储在它们内部的信息、导致高错误率；此外，如果科学家测量一个量子比特、试图衡量它所接触的噪声，量子比特的状态就会崩溃、失去其数据。

因此，Bernien教授表示：“试图纠正一个量子系统内的错误是一项非常艰巨和困难的任务。”

理论物理学家之前提出了一个使用旁观者量子比特的解决方案，这是一组不存储任何必要数据的量子比特，但它可以嵌入量子计算机中。旁观者量子比特将跟踪环境中的变化，就像降噪耳机中的麦克风一样发挥作用。当然，麦克风只检测声波，而拟议的旁观者量子比特将对能够改变量子比特的任何环境扰动作出反应。

终于，Bernien的研究小组着手证明了这一理论概念可用于消除中性原子量子阵列中的噪音。

研究团队在芝加哥大学普利兹克分子工程学院的Hannes Bernien实验室工作。从左起：博士后学者Conor Bradley、研究生Vikram Ramesh、博士后学者Kevin Singh，以及助理教授Hannes Bernien。

在中性原子量子处理器中，原子使用被称为“光镊(optical tweezer)”的激光束悬浮在原地（Bernien曾帮助开发了这种激光束，他也因此赢得了突破奖基金会颁发的2023年物理学新视野奖等荣誉）。在这些悬浮原子的大阵列中，每个原子都充当了一个量子比特，能够在其叠加状态下存储和处理信息。

2022年，Bernien及其同事首次报告了制造一个包含铷原子和铯原子的混合原子量子处理器的能力。现在，他们对该处理器进行了调整，使铷原子充当数据量子比特，而铯原子是旁观者量子比特。该团队设计了一个系统，可以连续从铷原子中读出实时数据；并作为回应，用微波振荡调整铯原子。

Bernien说，挑战在于确保该系统足够快：系统对铷原子的任何调整必须几乎是瞬时的。

“真正令人激动的是，它不仅最大限度地减少了数据量子比特的任何噪音，而且它是一个实际与量子系统实时互动的案例。”

——为了测试他们的误差最小化方法，Bernien的小组将量子阵列暴露在磁场噪声中。他们表明，铯原子正确地接收了这种噪声；然后他们的系统在铷原子中实时地消除了这种噪声。

通过结合旁观者量子比特（黄色）和数据量子比特（蓝色），PME研究人员可以在量子计算机内不断监测并纠正噪音和错误。

然而，该研究小组表示，最初的原型只是一个起点。后续，他们想尝试增加噪音量、改变扰动的类型，并测试这种方法是否成立。

“我们对如何将这个系统的灵敏度提高一大截有令人兴奋的想法，但要实现它还需要更多的工作，”Bernien说：“这是一个很好的起点。”

最终，Bernien想象一个旁观者量子比特系统可以在任何中性原子量子计算机的后台不断运行，也可以在其他架构的量子计算机中运行，在计算机存储数据和进行计算时将误差降到最低。

参考链接：

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade5337

[2]https://news.uchicago.edu/story/noise-cancelling-qubits-can-minimize-errors-quantum-computers

[3]https://pme.uchicago.edu/news/noise-cancelling-qubits-developed-uchicago-minimize-errors-quantum-computers