由於高質量的製造工藝，現代計算機在處理和存儲信息的過程中出現的錯誤已經變得非常罕見。然而，對於關鍵的應用，即使是單一的錯誤也會產生嚴重的影響，因此基於處理數據的冗餘度的驗證與糾錯機制仍然被廣泛使用。量子計算機相比傳統計算機本質上更容易受到干擾，因此幾乎肯定總是需要糾錯機制。否則，錯誤會在系統中不受控制地傳播，導致信息丟失。

藝術家對邏輯量子比特的門操作的印象，這些邏輯量子比特通過量子糾錯的方式來保護其運算精確性。

由於量子力學的基本定律禁止複制量子信息，因此可以通過將邏輯量子信息分佈到幾個物理系統的糾纏狀態中來實現冗餘，例如，多個單獨的原子。

由因斯布魯克大學實驗物理系的托馬斯-蒙茨和德國亞琛工業大學和尤利希研究中心的馬庫斯-穆勒領導的研究小組現在首次成功地在兩個邏輯量子位上實現了一套計算操作，可以用來實現任何可能的操作。來自因斯布魯克的實驗物理學家Lukas Postler解釋說：”對於一個真實世界的量子計算機，我們需要一套通用的門，用它來編程所有的算法。”

實現基本的量子操作

研究小組在一台具有16個被困原子的離子阱量子計算機上實現了這個通用門組。量子信息被存儲在兩個邏輯量子比特中，每個比特分佈在七個原子上。

研究人員首次在這些容錯量子比特上實現兩個計算門，這是通用門組的必要條件：兩個量子比特上的計算操作（CNOT門）和邏輯T門，這在容錯量子比特上特別難以實現。

展示的容錯量子計算的基本構件。資料來源：Uni Innsbruck/Harald Ritsch

理論物理學家馬庫斯-穆勒解釋說：”T門是非常基本的操作。它們特別有趣，因為沒有T門的量子算法可以在經典計算機上相對容易地模擬，否定了任何可能的速度提升。對於有T門的算法來說，這就不再可能了。”

物理學家們通過在一個邏輯量子比特中準備一個特殊的狀態，並通過糾纏門操作將其傳送到另一個量子比特中來演示T門。

複雜度增加，但準確度也增加

在編碼的邏輯量子比特中，存儲的量子信息受到保護，不會出現錯誤。但如果沒有計算操作產生，不出現錯誤也是毫無用處的，況且這些操作本身也是容易出錯的。

研究人員已經在邏輯量子比特上實現了操作，其方式是由基礎物理操作引起的錯誤也可以被檢測和糾正。因此，他們在編碼的邏輯量子比特上實現了第一個通用門組的容錯實施。

“容錯的實現比非容錯的操作需要更多的操作。這將在單原子的規模上引入更多的錯誤，但儘管如此，邏輯量子比特上的實驗操作還是比非容錯邏輯操作要好，”托馬斯-蒙茨高興地說。”雖然開銷和復雜性增加了，但所產生的質量卻更好。”研究人員還利用經典計算機上的數值模擬檢查並驗證了他們的實驗結果。

物理學家們現在已經證明了在量子計算機上進行容錯計算的所有構建模塊。接下來的任務是在更大、更有用的量子計算機上實現這些方法。在因斯布魯克的離子阱量子計算機上演示的方法也可以用於其他量子計算機的架構上。