“猫量子比特”实现容错量子计算新突破

  科技日报北京2月26日电 （记者张梦然）美国亚马逊云科技量子计算中心团队在25日《自然》杂志的一篇论文中，演示了容错量子计算的新突破：一种对硬件需求更低的量子纠错系统。这一系统使用了“猫量子比特”（cat qubits），其创新设计能抵抗可能会干扰量子系统输出的特定类型的噪音和错误，同时实现量子比特需要的元器件总数比其他设计更少。

  量子计算机很容易出错，这限制了它们在特定任务上超越经典计算机的潜力。量子纠错方法是将信息分散到多个量子比特，帮助减少出错，从而在不干扰计算的情况下发现并纠正错误。不过，大部分量子纠错方法通常依赖大量额外的量子比特来提供足够的防出错保护，这可能会在整体上降低效率。

  团队此次利用名为“玻色子猫量子比特”进行量子纠错，探索了一种更高效的方式。“猫量子比特”来源于薛定谔的猫思想实验，指的是量子系统可以同时处于两个宏观上截然不同的状态的叠加态。量子信息处理中，其通常指由光子组成的量子态，这些光子的状态可以是同时包含相位相反的相干态的叠加。

  这些“猫量子比特”在硬件水平上对一类错误（称为比特翻转）有更高的固有抵抗力，其代价为更容易出现另一种错误（名为相位翻转）。这种错误偏差能让团队设计出只关注处理相位翻转错误的量子纠错代码，得到一个对额外量子比特需求更低、整体上更高效的设计。

  团队用一组“猫量子比特”演示了一个超导量子环路装置，证明了有5个“猫量子比特”的纠错代码在每个周期的错误率从1.75%抑制到1.65%。此前，用更大纠错代码实现错误抑制需要几十个额外量子比特。

  结果表明，利用“玻色子猫量子比特”或是实现容错量子计算的一个有效方式。团队指出，这种方法具有高效扩展的潜力，但仍需逐步优化将性能提升到有望推动实际量子计算应用的层面。

  量子计算怎么样才可以不出错又不耗更多资源？传统量子纠错方法，要依赖大量额外量子比特来“帮忙”，这就极大地增加了系统复杂性和资源消耗。而现在“猫量子比特”的引入，有效缓解了这样的一个问题。它要的不多，错误率却能被有效抑制，无疑是一项重大的进步。这一技术其实还处于初步阶段，但它展示了高效扩展的潜力。随技术的逐步优化，基于“猫”的量子纠错方案，非常有可能会成为推动量子计算实际应用的关键。

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