麻省理工学院为量子设备设计更有效的纠错

在钻石晶体中，三个碳原子核（以蓝色显示）围绕着称为氮空位中心的空点，其行为非常像单个电子（以红色显示）。碳核起着量子位或量子位的作用，事实证明，干扰它们的主要噪声源来自中间的不稳定“电子”。研究人员发现，通过了解该噪声的单一来源，可以更轻松地对其进行补偿。

一项新的研究提出了纠正量子设备中“抖动”的途径，这可能有助于使量子计算机和传感器更加实用。

世界各地的实验室都在竞相开发新的基于量子力学原理的计算和传感设备，它们可能会比传统的同类设备具有巨大的优势。但是，这些技术仍然面临着数项挑战，其中最重要的问题之一就是如何应对“噪声”，即可以消除存储在此类设备中的数据的随机波动。

麻省理工学院的研究人员开发的一种新方法可以为量子误差校正迈出重要的一步。该方法涉及对系统进行微调，以解决最有可能产生的噪声种类，而不是撒网以试图捕获所有可能的干扰源。

麻省理工学院研究生David Layden，博士后Mo Chen以及核科学与工程学教授Paola Cappellaro的论文《物理评论快报》（Physical Review Letters）中对这种分析进行了描述。

Layden说：“我们现在在开发量子技术时面临的主要问题是，当前的系统体积小且噪声大。”噪声，意味着任何形式的有害干扰，尤其令人烦恼，因为许多量子系统本来就是高度敏感的，这是其某些潜在应用的基础。

莱登说，还有另一个问题，那就是量子系统受到任何观测的影响。因此，尽管人们可以检测到经典系统正在漂移并进行校正以将其微移，但在量子世界中事情变得更加复杂。他说：“量子系统真正棘手的是，当您看着它们时，它们往往会使其崩溃。”

经典的纠错方案基于冗余。例如，在一个受噪声影响的通信系统中，与其发送一个单一的位（1或0），不如发送一个位（111或000）三个副本。然后，如果三个位不匹配，则表明存在错误。每位发送的副本越多，纠错就越有效。

相同的基本原理可以应用于在量子比特或“量子比特”中增加冗余。但是，莱登说：“如果我想获得高度的保护，我需要将系统的很大一部分用于进行此类检查。由于我们的系统非常小，因此这现在还不是一个开始。我们只是没有资源以通常的方式进行特别有用的量子误差校正。”因此，相反，研究人员找到了一种将误差校正的目标非常狭窄地针对最普遍的特定种类的噪声的方法。

他们正在使用的量子系统由碳核组成，该碳核附近是一种称为氮空位中心的钻石晶体中的一种特殊缺陷。这些缺陷的行为就像单个孤立的电子一样，它们的存在可以控制附近的碳核。

但是研究小组发现，影响这些原子核的绝大多数噪声来自一个单一来源：附近缺陷自身的随机波动。可以精确建模此噪声源，并且抑制其影响可能会产生重大影响，因为其他噪声源相对可忽略。

“我们实际上非常了解这些系统中的主要噪声源，”莱登说。“因此，我们不必撒网来捕捉每种假想的噪声。”

团队提出了一种不同的纠错策略，专门针对这种特殊的占主导地位的噪声源而设计。正如莱登（Layden）所描述的那样，噪声来自“这一中心缺陷或这一中心“电子”，它有随机跳动的趋势。令人不安。

反过来，所有这些附近的原子核都会以一种可以纠正的可预测方式感受到这种抖动。

他说：“我们的方法的结果是，我们能够使用比原先所需的资源少得多的资源来获得固定级别的保护。”“我们可以通过这种有针对性的方法使用更小的系统。”

到目前为止，这项工作是理论性的，该小组正在积极地进行实验以证明这一原理的实际作用。研究人员说，如果能按预期工作，那么它将构成未来各种基于量子技术的重要组成部分，其中包括可以潜在解决以前无法解决的问题的量子计算机，或者可以免受监听的量子通信系统，或者高灵敏度的传感器系统。

“这是可以以多种方式使用的组件，”莱登说。“好像我们正在开发引擎的关键部分。我们仍然无法制造出一辆完整的汽车，但是我们在关键部分上已经取得了进展。”

与这项工作无关的加拿大舍布鲁克大学的物理学教授亚历山大·布莱斯说：“量子纠错是该领域的下一个挑战。”“然而，当前的量子纠错码的复杂性令人望而生畏，因为它们需要大量的量子比特来可靠地编码量子信息。”

Blais补充说：“我们现在已经意识到，了解我们将要实施量子误差校正的设备可能会非常有利。这项工作通过证明可以实现一种常见的误差类型，在这一方向上做出了重要贡献。以比预期更有效的方式进行纠正。为了使量子计算机变得实用，我们需要更多这样的想法。''

参考：David Layden，Mo Chen（陈墨）和Paola Cappellaro撰写的“由普通波动器引起的相移的有效量子误差校正”，2020年1月17日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.124.020504

该研究得到了美国陆军研究办公室和美国国家科学基金会的支持。