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哈佛大学、麻省理工学院和NIST/马里兰大学研究团队实现基于可重构原子阵列的逻辑量子处理器

以下文章来源于量子科话,作者量子科话


利用测量诱导产生量子纠缠和隐形传态(图1)

实现基于可重构原子阵列的逻辑量子处理器

构造不受错误干扰的逻辑比特一直以来都是各国科学家梦寐以求的目标,也是走向通用容错量子计算最关键的步骤。为了最终实现不受错误干扰的逻辑比特,其中重要一步就是实现对逻辑比特的有效探测,并通过数据后选择来研究纠错的性能。近期,哈佛大学Mikhail Lukin团队与QuEra Computing、麻省理工学院和NIST/马里兰大学合作在这一领域取得重要进展。研究人员成功在一个具有280个物理量子比特的系统中,制备了1个码距为7、或者40个码距为3、或者48个码距为2的逻辑量子比特,并对上述不同码距的逻辑比特进行了有效的错误探测,研究了经过后选择的逻辑比特性能。该项工作为实现不受错误干扰的逻辑比特提供了重要技术基础。相关论文于12月6日发表在《自然》杂志上[1]


实现基于可重构原子阵列的逻辑量子处理器(图2)

© Nature

研究论文以《基于可重构原子阵列的逻辑量子处理器(Logical quantum processor based on

 reconfigurable atom arrays)》为题

发表于《自然》杂志

量子计算机可完成计算的复杂程度不单取决于其所包含的量子比特的数量,更为关键的是每次操作所带来的错误大小。例如,近期IBM和总部位于加利福尼亚的Atom Computing公司都推出了拥有1000多个量子比特的量子处理器,几乎是先前最大量子处理器比特数量的三倍。但这些设备的实际计算能力十分有限,远小先前谷歌和中国科大实现的百比特量级的量子处理器,其核心原因正是因为计算过程中不断出现的错误。

抑制大规模计算中错误发生的最有效方法就是进行纠错。在传统计算机中,纠错通常依赖于所谓的冗余编码——即用多个比特来编码一个比特的信息。但量子信息在根本上有所不同,不能被复制——因此研究人员利用纠缠将其分布到多个量子比特上,实现类似的冗余编码,逻辑量子比特则是纠缠在一起以存储冗余信息的一组物理量子比特。正是由于量子比特信息这些固有特征,有效的量子纠错的难度极高,是实现通用容错量子计算的最大障碍,也是目前量子信息领域公认最大的挑战之一。

目前学术界普遍认为,量子纠错将经历以下若干发展阶段:

(一)实现错误率足够低的物理比特,以达到纠错算法的门槛;

(二)通过多个这样的物理比特构造逻辑比特,并有效探测其错误,理解具体错误的类型和成因;

(三)增加进行纠错编码的物理比特数目,即增加码距,验证错误率随码距减小;

(四)演示错误率足够低的逻辑比特及其门操作,最终扩展到足够大的规模,从而实现通用容错量子计算。

今年10月,Lukin教授团队在《自然》杂志发文[2],报道了在多达60个铷-87原子的阵列中实现了99.5%保真度的双比特纠缠门,超过了表面码的纠错阈值。该论文的第一作者S. Evered说:“我们的错误率现在已经足够低了,如果我们把原子组合成逻辑量子比特——信息非局域地存储在组成原子之间——这些逻辑量子比特的错误率甚至可能比单个原子的错误率还要低。”

基于先前工作的技术积累,构建逻辑量子比特的设想在本次工作中得以实现。研究人员首先在一个真空容器中放入数千个中性铷原子,然后利用激光和磁场将原子冷却到接近绝对零度的温度。在这些条件下,可以通过激光来非常精确地控制原子的量子态。研究人员首先从原子中构建了280个物理量子比特,然后使用另一个激光脉冲将这些原子分组分批纠缠在一起,通过并行的物理量子比特纠缠操作制备和操作逻辑量子比特。这一工作利用了先进的中性原子阵列量子计算处理器,其结合了数百个量子比特、高保真度双比特门、任意连接性、完全可编程的单量子比特旋转和线路中读出等特点。该系统还包含了对可重构中性原子阵列的硬件高效控制,以及对整组逻辑量子比特采用的直接并行控制。这种并行控制极大地降低了控制损耗和执行逻辑操作的复杂度。

实现基于可重构原子阵列的逻辑量子处理器(图3)

© QuEra

QuEra的新量子计算机是向实用设备迈出的关键一步


这项新工作展示了以下关键进展:

⚫ 创建和纠缠迄今为止码距最大的逻辑量子比特,演示了码距最高为7的表面码。

⚫ 通过控制280个物理量子比特,构建了40个码距为3的颜色码(color code)量子比特。并制备了4个逻辑量子比特间的GHZ态,直接测量保证度为72%,后选择保真度为99.8%。

⚫ 实现了48个用于执行采样线路的小型逻辑量子比特,通过探测量子错误的发生并进行后选择,其计算性能超过了使用物理量子比特执行相同算法时的性能。然而,受限于量子比特的规模和操纵精度,该处理器尚未达到“量子计算优越性”。

基于该成果,下一步有望展示随码距的增加而减小错误率,为实现错误率足够低的逻辑比特及其门操作奠定基础。Lukin教授认为:“量子纠错和容错的基本思想开始结出果实……尽管我们对未来的挑战有清醒的认识,但我们预计这一新的进展将大幅加速大规模、实用的量子计算机的发展,使下一阶段的发现和创新成为可能。”


论文链接:

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06927-3

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06481-y


报道链接:

https://www.newscientist.com/article/2407145-quantum-computer-sets-record-on-path-towards-error-free-calculations/

https://www.quera.com/press-releases/harvard-quera-mit-and-the-nist-university-of-maryland-usher-in-new-era-of-quantum-computing-by-performing-complex-error-corrected-quantum-algorithms-on-48-logical-qubits





利用测量诱导产生量子纠缠和隐形传态(图4)


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实现基于可重构原子阵列的逻辑量子处理器(图5)