科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

美國(guó)耶魯大學(xué)和谷歌量子人工智能的研究人員首次實(shí)現(xiàn)對(duì)多能級(jí)量子系統(tǒng)的糾錯(cuò)，使系統(tǒng)性能超過了當(dāng)前最佳的未糾正方案，成功突破了“盈虧平衡點(diǎn)”。該成果為更高效的量子信息處理開辟了新途徑，相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《自然》雜志。

量子計(jì)算機(jī)極為脆弱。外部信號(hào)、熱噪聲及其他環(huán)境擾動(dòng)常會(huì)導(dǎo)致量子比特在完成有用計(jì)算前丟失信息。為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算，必須找到在執(zhí)行邏輯操作期間，保護(hù)量子態(tài)免受降解影響的方法。在此之前，僅有二能級(jí)量子比特糾錯(cuò)突破了“盈虧平衡點(diǎn)”。這項(xiàng)新研究則首次在多能級(jí)量子系統(tǒng)上突破了這一瓶頸。

團(tuán)隊(duì)利用一種名為戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基爾（GKP）玻色子碼的糾錯(cuò)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三態(tài)和四態(tài)量子單元的量子信息編碼與保護(hù)，這超越了量子誤差糾正領(lǐng)域的重要里程碑——“盈虧平衡點(diǎn)”，即糾錯(cuò)后的信息存儲(chǔ)時(shí)間超過未糾錯(cuò)版本這一關(guān)鍵閾值。

實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)使用了鉭transmon（超導(dǎo)量子比特）與三維超導(dǎo)微波腔耦合的裝置。微波腔的振蕩器模式用于存儲(chǔ)邏輯GKP態(tài)，transmon作為輔助比特控制振蕩器并糾錯(cuò)。此外，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了多項(xiàng)技術(shù)，包括利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)優(yōu)化的糾錯(cuò)協(xié)議。

優(yōu)化后，系統(tǒng)在三態(tài)量子單元實(shí)現(xiàn)了1.82的糾錯(cuò)增益，在四態(tài)量子單元上糾錯(cuò)增益達(dá)到1.87。這些增益與此前使用該設(shè)備實(shí)現(xiàn)的二能級(jí)量子比特糾錯(cuò)實(shí)驗(yàn)相當(dāng)，甚至更優(yōu)。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為突破傳統(tǒng)二進(jìn)制架構(gòu)提供了新路徑，拓展了構(gòu)建更高效量子計(jì)算機(jī)的工具箱，表明未來量子處理器可能受益于超越傳統(tǒng)二能級(jí)量子比特的設(shè)計(jì)。多能級(jí)量子系統(tǒng)在可靠控制和糾錯(cuò)方面的潛力，有望推動(dòng)更高效、更緊湊的量子信息處理硬件的發(fā)展。