麻省理工学院在全面实现量子计算方面取得重大进展

在量子计算机中，信息的处理是一个极其微妙的过程，计算实际上由脆弱的量子比特执行，它们极易受到退相干的影响，即失去其量子力学行为。麻省理工学院的研究人员在全面实现量子计算的道路上取得了重大进展，他们展示了一种技术，消除了量子算法中最基本的操作-双量子位操作或 ‘门’的常见错误。

"尽管在能够用超导量子比特（qubits）进行低错误率的计算方面取得了巨大的进展，但作为量子计算的构件之一，双qubit门中的错误仍然存在，"麻省理工学院电气工程和计算机科学专业的研究生Youngkyu Sung说，他是2021年6月16日发表在《物理评论X》上关于这一主题的论文的主要作者。

在Sung和他所在的研究小组--麻省理工学院工程量子系统部之前进行的研究中提出了可调谐耦合器的概念，允许研究人员打开和关闭两个量子比特的相互作用，以控制其操作，同时保留脆弱的量子比特。可调谐耦合器的想法代表了一个重大的进步，例如，被Google引用为他们最近展示的量子计算比经典计算的优势的关键。

然而，解决错误机制就像剥洋葱一样。剥开一层就会发现下一层。在这种情况下，即使使用可调谐的耦合器，双量子比特门仍然容易出现错误，这些错误是由两个量子比特之间以及量子比特和耦合器之间的剩余不需要的相互作用造成的。在可调谐耦合器出现之前，这种不需要的相互作用通常被忽略，因为它们并不突出--但现在它们却显得突出了。而且，由于这种残余误差随着量子比特和门的数量增加而增加，它们阻碍了建立更大规模的量子处理器的道路。

《物理评论X》的论文提供了一种新的方法来减少这种误差。

电气工程和计算机科学副教授、麻省理工学院林肯实验室研究员、量子工程中心主任、工程量子系统组所在的电子研究实验室副主任威廉-D-奥利弗说："我们现在进一步采用了可调谐耦合器的概念，证明了两种主要类型的双量子比特门的保真度接近99.9%，即被称为可控Z门和iSWAP门。"

更高保真度的闸门增加了一个人可以执行的操作数量，更多的操作转化为在更大的规模上实施更复杂的算法。

为了消除引起错误的量子比特之间的相互作用，研究人员利用耦合器的更高能量水平来抵消有问题的相互作用。在以前的工作中，耦合器的这种能量水平被忽略了，尽管它们诱发了不可忽略的双量子位相互作用。

"更好地控制和设计耦合器是按照我们的愿望定制量子位-量子位相互作用的一个关键。这可以通过对存在的多级动力学进行工程设计来实现，"Sung说。下一代量子计算机将是纠错的，这意味着将增加额外的量子比特以提高量子计算的稳健性。

奥利弗说："量子比特错误可以通过增加冗余来积极解决。"然而，他指出，这样的过程只有在门足够好的情况下才能发挥作用--超过一定的保真度阈值，这取决于纠错协议。"今天最宽松的阈值是99%左右。然而，在实践中，人们寻求比这一阈值高得多的栅极保真度，以便与合理的硬件冗余水平共存。"

这项研究中使用的设备是在麻省理工学院林肯实验室制造的，是在双量子比特操作中实现保真度的基础。制造高相干性设备是实现高保真控制的第一步。双量子位门的高错误率大大限制了量子硬件运行通常难以用经典计算机解决的量子应用的能力，如量子化学模拟和解决优化问题。到目前为止，只有小分子在量子计算机上进行了模拟，这些模拟可以很容易地在经典计算机上进行。

从这个意义上说，我们减少双量子比特门误差的新方法在量子计算领域是及时的，有助于解决当今最关键的量子硬件问题之一。