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超导

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如何制造更坚固的量子计算机

量子阵容:芯片上有九个超导量子位

加利福尼亚大学,圣塔芭芭拉分校(UCSB)和Google的研究人员创建了一个9个量子位(qubit)的系统,该系统对通常会破坏量子计算的错误具有鲁棒性。该设备依赖于量子纠错协议,该团队称该协议可以在未来的实用量子计算机中部署。

原则上,功能强大的量子计算机可以由一组量子位构建而成。例如,对于基于电子的量子位,这些状态将是“spin up” and “spin down”,其中一种状态代表逻辑“1” and the other “0”。每个量子位可以同时处于两个量子态的叠加中, N 量子位可以量子力学纠缠来表示2N 同时值。这将导致常规计算机无法进行大规模并行信息处理。

极其脆弱

但是,量子计算机非常脆弱,计算很容易被破坏“bit errors”当环境中的外部噪声影响量子位的值时会发生这种情况。实践证明,创建足够坚固以消除此类错误的实用量子位非常困难,但另一种方法是接受将要出现的错误,并尝试随着量子计算的进行进行校正。

现在,UCSB’s 约翰·马丁尼斯 通过展示由九个超导量子位组成的集成量子设备中的重复性纠错,他们的同事们迈出了重要的一步。每个量子位是一个由电容器和约瑟夫森结组成的小电路,由蒸镀到蓝宝石衬底上的铝膜制成。量子位可以被认为是人造原子,其信息以其量子态存储。

“Our nine-qubit system can protect itself from 误码 that unavoidably arise from noise and fluctuations from the environment in which the qubits are embedded,”解释团队成员 朱利安·凯利(Julian Kelly). “We also show that ‘more is better’:9个量子位比5个量子位更好地保护系统,这是将来在真正的量子计算机中使用更多量子位时的一项关键要求。”

衡量平价

“在量子力学中,如果不破坏使量子力学起作用的叠加和纠缠,就无法测量量子位。” says team member 拉米·巴伦兹, “但我们可以衡量所谓的平价–这构成了量子误差校正的基础。”奇偶校验定义为“0”如果两个量子位具有相同的值,并且“1”如果它们具有不同的值。至关重要的是,无需实际测量两个量子位的值即可确定它。

研究人员利用这一事实,反复测量了相邻像素之间的奇偶性“data”量子比特“measurement” qubits. “Each cycle, these 测量 qubits interact with their surrounding 数据 qubits using quantum logic gates and we can then measure them,” Kelly explains. “When an error occurs, the parity changes accordingly and the 测量 qubit reports a different outcome. By tracking these outcomes, we can figure out when and where a bit error has occurred and correct for it.”

越多越好

The more qubits that are involved in the process, the more information is available to identify and correct for errors,解释团队成员 奥斯汀·福勒. “Errors can occur at any time and in all types of qubits: 数据 qubits, 测量 qubits, during gate operation and even during 测量s. We found that a five-qubit device is robust to any type of bit error occurring anywhere during an algorithm, but a nine-qubit device is better because it is robust to any combination of two-bit errors.”

尽管与实际应用还有很长的路要走,研究人员说“self-correcting”像他们这样的设备可能是测试错误纠正背后的一些想法的绝佳平台–例如保护量子状态免受所谓的相位翻转误差。“我们现在还忙于改善量子比特的质量以及用于制作量子比特的材料,” says Kelly.

该研究描述于 性质.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者