量子计算机极易受到误差和周围环境微小扰动的影响。量子操作耗时越长，误差累积的机会就越多。瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员近日开发出一种方法，能够将多种高级量子操作的速度提升千倍以上。这项突破解决了该领域的一大障碍，有望推动量子计算向容错化迈进一大步。
量子计算机未来可能会给药物研发、能源技术、密码学、人工智能和物流等领域带来变革。但在此之前，这些机器必须变得更加可靠。
量子计算机为何如此容易出错
一个主要挑战在于，极其微小的环境影响就可能扰乱量子计算过程。电噪声、宇宙辐射和过热都可能在信息处理过程中引入误差。
传统计算机也会出现错误，但经过数十年的发展，已经形成了能够快速检测和修复错误的可靠纠错方法。量子系统则要难以保护得多，因为它们所使用的信息极其脆弱。
“量子计算机的基本构建单元——量子比特——非常敏感，即使是最微小的扰动也可能导致量子态偏离目标，从而造成信息丢失。如果在纠正之前积累了过多错误，计算就可能失败，”查尔姆斯理工大学应用量子物理研究员、这项发表于《物理评论快报》理论研究论文的第一作者杜磊说。
保护量子信息的不同方式
为了让量子计算更具韧性并最终实现容错，研究人员正在探索保护量子信息免受错误影响的新方法。其中一种颇具前景的策略使用了所谓的玻色量子编码。
与将量子信息分配给单个量子比特不同，这种方法将信息存储在超导电路内的微波场中。
“玻色编码不是将量子信息存储在单个量子比特中，而是将信息编码在超导电路中的微波场里。这种方法已被证明能对某些类型的错误提供更强的保护，”查尔姆斯理工大学量子技术研究员、研究合著者黄唐悠解释道。
量子操作速度提升逾千倍
处理玻色量子编码并不简单。创建和控制所需的量子态，传统上需要引导量子系统经历数千次重复的驱动周期。
这一过程可能耗时较长，而每增加一个周期，就多一次外界扰动干扰计算的机会。因此在量子计算中，速度与可靠性密切相关。
查尔姆斯理工大学的研究人员杜磊和黄唐悠提出了一种不同的策略。他们的方法不是逐块构建所需的量子态，而是能够更快地完成各种各样的操作。
“我们的方法表明，对玻色态执行的多种量子操作可以在单个驱动周期内完成，而不再需要以往所需的数千个周期。这使得操作既更快又更高效，同时降低了在计算完成之前信息被扰动破坏的风险。这标志着朝容错量子计算机迈出了重要一步，”杜磊说。
量子晶格门提供捷径
这种新方法围绕量子晶格门构建，这是同一研究团队近期提出的一套通用量子门。
这些门在某种程度上起到了捷径的作用。它们不需要一长串重复的控制步骤，而是能让预期的量子操作在一个驱动周期内完成。这可能使整个过程更快、更简单，也更不容易出错。
“你可以把它想象成搭建一座巨大的乐高城堡。与其一块一块地拼装、冒着出错的风险，量子晶格门更像是预先搭建好的乐高模块，可以快速高效地组合起来，”黄唐悠说。
专为超导量子计算机设计
这项技术尤其适用于超导量子计算机，这是国际上大规模量子计算研发浪潮中最受关注的技术之一。
查尔姆斯理工大学也正在使用超导技术，开发一台拥有100个量子比特的量子计算机。
“我们方法的一个关键优势在于，它可以在现有的超导量子电路平台上实现。我们已经在与查尔姆斯的同事讨论可能的实验实现方案，希望能在不久的将来看到该方法的演示，”黄唐悠说。
研究人员表示，这项工作解决了该领域面临的一个核心问题：如何高效地生成和控制能够帮助纠错的量子态。
“我们的研究成果解决了该领域的一大主要瓶颈：如何快速可靠地创建和控制纠错量子态，这在未来的量子计算机中可能发挥重要作用，”杜磊说。
关于玻色编码、量子晶格门与弗洛凯控制的更多说明
玻色量子编码将量子信息存储在诸如微波或光学谐振腔的状态中，而非单个量子比特中。它们被认为是量子纠错的一种有前景的工具，因为它们能对某些类型的错误提供内在保护。
处理所存储的信息需要量子操作。量子晶格门是近期提出的一套用于控制玻色量子态的基本构建模块。通过组合和设计这些门，研究人员可以执行范围更广、更复杂的量子操作。
实现这些操作的方法之一被称为弗洛凯控制，它利用周期性控制信号来驱动量子系统。早期基于弗洛凯的技术通常依赖涉及多次重复驱动周期的较慢过程。而查尔姆斯大学开发的方法则可以在单个驱动周期内直接执行量子晶格门，使某些操作的速度提升千倍以上。
关于本研究的更多信息
该科学论文题为《利用量子晶格门对玻色编码进行单周期弗洛凯控制》，已发表于《物理评论快报》。作者为黄唐悠、杜磊和郭凌臻。研究人员分别隶属于瑞典查尔姆斯理工大学和中国天津大学。
该研究得到了中国国家自然科学基金委员会（NSFC）、瓦伦堡量子技术中心（WACQT）以及克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会的资助。
Q&A
Q1：查尔姆斯理工大学的新方法能让量子计算操作快多少？
A：这种新方法能让多种高级量子操作的速度提升千倍以上，此前需要数千次重复驱动周期才能完成的操作，现在可以在单个驱动周期内完成。
Q2：什么是玻色量子编码？
A：玻色量子编码是一种保护量子信息的方式，它不将信息存储在单个量子比特中，而是存储在超导电路内的微波场中，能对某些类型的错误提供更强保护。
Q3：量子晶格门是如何加速量子操作的？
A：量子晶格门相当于预先搭建好的“模块”，可以快速高效地组合起来完成量子操作，而不需要像以往那样一步步进行大量重复的控制步骤，从而大幅缩短操作时间并降低出错风险。
