加州理工學院的研究人員開發出一種量子擦除器，用於修正量子計算系統中的”擦除”錯誤。這項技術涉及在雷射光”鑷子”中操縱鹼土中性原子，可以透過螢光檢測和糾正錯誤。這項創新使雷德貝格中性原子系統的糾纏率提高了十倍，在提高量子電腦的可靠性和可擴展性方面邁出了關鍵的一步。

未來的量子電腦有望徹底改變各個領域的問題解決方式，例如創造永續材料、開發新藥物以及揭示基礎物理學中的複雜問題。然而，這些開創性的量子系統目前比我們今天使用的經典電腦更容易出錯。如果研究人員能拿出一塊特殊的量子橡皮擦，把錯誤擦掉，豈不美哉？

研究人員首次成功演示了”擦除”錯誤的識別和清除。

根據《自然》雜誌報道，由加州理工學院領導的一組研究人員率先展示了一種量子橡皮擦。物理學家證明，他們可以精確定位並糾正量子計算系統中被稱為”擦除”錯誤的錯誤。

這項新研究的共同第一作者、加州理工學院物理學教授曼努埃爾-恩德雷斯實驗室的研究生亞當-肖說：”通常很難檢測到量子計算機中的錯誤，因為僅僅是尋找錯誤的行為就會導致更多錯誤的發生。但我們的研究表明，透過一些細緻的控制，我們可以精確定位並消除某些錯誤，而不會造成任何後果，這就是擦除這個名稱的由來。 “

量子電腦基於亞原子領域的物理定律，例如糾纏，這是一種粒子在不直接接觸的情況下保持相互連接和模仿的現象。在這項新研究中，研究人員重點研究了一種使用中性原子陣列或不帶電原子的量子運算平台。具體來說，他們操縱了封閉在雷射製成的”鑷子”內的單一鹼土中性原子。這些原子被激發至高能量狀態，即”雷德貝格”狀態，在這種狀態下，相鄰原子開始相互作用。

雖然量子設備中的錯誤通常很難被發現，但研究人員已經證明，只要小心控制，有些錯誤就能讓原子發光。研究人員利用這種能力，使用原子陣列和雷射光束執行了一次量子模擬，如圖所示。實驗表明，他們可以摒棄發光的錯誤原子，使量子模擬運作得更有效率。圖片來源：加州理工學院/蘭斯-林田

這項研究的另一位共同第一作者帕斯卡爾-爍爾（Pascal Scholl）解釋說：”我們量子系統中的原子會彼此交談並產生糾纏，”他曾是加州理工學院的博士後學者，現任職於法國一家名為PASQAL 的量子運算公司。

糾纏是量子電腦超越經典電腦的關鍵。 “然而，大自然並不喜歡維持這種量子糾纏狀態，”Scholl 解釋說。 “最終，錯誤會發生，從而破壞整個量子態。這些糾纏態可以看成裝滿蘋果的籃子，原子就是蘋果。隨著時間的推移，一些蘋果會開始腐爛，如果不把這些蘋果從籃子裡拿出來換成新鮮的，那麼所有的蘋果都會迅速腐爛。目前還不清楚如何才能完全防止這些錯誤的發生，因此，目前唯一可行的辦法就是檢測和糾正錯誤”。

新的錯誤捕捉系統的設計方式是，錯誤的原子在受到雷射照射時會發出螢光或發光。 Scholl說：”我們有發光原子的圖像，它們會告訴我們錯誤在哪裡，因此我們可以將它們排除在最終統計之外，或者使用額外的雷射脈衝來主動糾正它們。 “

在中性原子系統中實施擦除偵測的理論最早是由普林斯頓大學電機與電腦工程教授傑夫-湯普森（Jeff Thompson）及其同事提出的。該團隊最近還在《自然》（Nature）雜誌上報告了該技術的演示。

加州理工學院團隊表示，透過消除和定位他們的雷德堡原子系統中的錯誤，他們可以提高糾纏的整體速率或保真度。在這項新研究中，研究小組發現，1000 對原子中只有一對未能糾纏在一起。這比之前的結果提高了 10 倍，也是在這類系統中觀察到的最高糾纏率。

歸根究底，這些結果對使用雷德貝格中性原子陣列的量子運算平台來說是個好兆頭。中性原子是最具可擴展性的量子電腦類型，但直到現在它們才具有高糾纏保真度。

參考文獻：《高保真雷德堡量子模擬器中的擦除轉換》，作者：Pascal Scholl、Adam L. Shaw、Richard Bing-Shiun Tsai、Ran Finkelstein、Joonhee Choi 和Manuel Endres，2023 年10 月11 日，《自然》雜誌。

DOI: 10.1038/s41586-023-06516-4

編譯來源：ScitechDaily