量子系统可以以极高的精度操作，但不是完美的。苏黎世联邦理工学院物理系的研究人员现在已经演示了如何监测和纠正这种操作过程中出现的错误。近年来，量子计算领域取得了巨大的进展。量子设备正越来越多地挑战传统计算机，至少是少数几个选定的任务。尽管有目前的进展，今天的量子信息处理器仍然在努力处理错误，这在任何计算中不可避免地发生。这种无法有效纠正错误的做法阻碍了对量子信息进行持续、大规模处理的努力。现在量子电子研究所的Jonathan Home小组的一系列实验，第一次整合了一个实验中进行量子误差修正所需的一系列元素，这些研究结果发表在2018年11月6日的《自然》杂志上。
博科园-科学科普：就像经典的量子计算机一样，量子计算机是由不完美的元件构成的，它们对外界的干扰更加敏感。在执行计算时，这不可避免地会导致错误。对于传统的计算机，存在一个完善的检测和纠正此类错误的工具包。量子计算机将更加依赖于定位和修复错误。这需要考虑到信息在量子态中编码这一事实的概念上的不同方法。特别是，重复地读出量子信息而不干扰它，这是检测错误的要求，并且实时地对这些错误作出反应是相当大的挑战。
重复的性能
主基在一个陷阱中串在一起的单个离子的量子态中编码量子信息。通常这些弦只包含一种离子。但是博士生弗拉德·内格维茨基和马特奥·马里内利，以及博士后卡兰·梅赫塔和其他同事，现在已经创造出了一种弦，他们在弦中捕获了两种不同的物种——两种铍离子(9Be+)和一种钙离子(40Ca+)。这种混合物种的字符串以前也有过，但研究小组用了新颖的方式来使用它们。利用了这两个物种明显不同的特性，特别是在他们的实验中，用不同颜色的光操纵和测量铍和钙离子。这为一种物种的研究开辟了一条不干扰另一种物种的途径。
两个铍离子(以蓝色球体为代表)之间的量子关联使用辅助钙离子(红色球体)进行顺序测量，并通过一个功能强大的经典控制系统(右下)通过反馈控制稳定下来，该系统具有灵活的顺序处理功能。图片：ETH Zurich / Home group
与此同时，ETH的研究人员发现了让不同的离子相互作用的方法，这样一来，对钙离子的测量就能得到铍离子量子态的信息，而不会破坏这些脆弱态。重要的是，当铍离子受到缺陷和误差的影响时，物理学家们反复监测它们。研究小组在同一系统上进行了50次测量，而在以前的实验中(只使用钙离子)，这种重复读数仅限于几轮。
纠正措施
发现错误是一回事，采取行动纠正另一个错误。为了实现后者，研究人员开发了一个强大的控制系统，根据铍离子偏离目标状态的程度，可以反复推动铍离子。将离子带回轨道需要在微秒的时间尺度上进行复杂的信息处理。由于该系统使用的是经典的控制电子技术，目前证明的方法也适用于基于信息载体而非捕获离子的量子计算平台。
重要的是，Negnevitsky, Marinelli, Mehta和他们的同事证明了这些技术也可以用来稳定两种铍离子共享纠缠量子态的状态，而这在经典物理学中是没有直接等价的。纠缠是赋予量子计算机独特能力的一种成分。此外纠缠也可以用来提高精度测量的准确性。错误修正的成分，如现在证明的，可以使这些状态持续更长的时间，提供有趣的前景，不仅为量子计算，而且为计量。
博科园-科学科普｜参考期刊文献:《Nature》
研究/来自：苏黎世联邦理工学院
DOI: 10.1038/s41586-018-0668-z
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