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，这种技术可以消除量子算法最重要的操作(双量子比特操作或“门”)中的常见错误，它能实现接近99.8%的双量子比特交互保真度。该团队的研究成果发表在近日的《Physical Review X》上。

麻省理工学院电子工程和计算机科学专业的研究生Youngkyu Sung是本论文的主要作者，他说：“尽管超导量子比特(qubits)在以低错误率进行计算方面取得了巨大进展，但作为量子计算构建块之一的双量子比特门中的错误仍然存​​在。我们已经展示了一种可以大幅减少这些错误的方法。”

在量子计算机中，信息的处理是让脆弱的量子比特执行极其精细的过程，这些量子比特极易受到退相干的影响，即量子力学的行为消失。在Sung和他合作的MIT工程量子系统研究小组之前进行的研究中，他们提出了一种可调谐耦合器方法，允许研究人员打开和关闭两个量子比特的相互作用来控制其操作，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，谷歌(Google)就引用了这个想法，并认为这是他们最近展示量子计算优于经典计算优势的关键。

尽管如此，解决错误机制就像剥洋葱皮，剥一层就会露出下一层。在这种情况下，即使使用可调谐耦合器，两个量子比特门仍然容易出现错误，这是由于两个量子比特之间以及量子比特和耦合器之间残留的不需要的相互作用造成的。在可调谐耦合器出现之前，这种不必要的相互作用通常被忽略，因为在初期它们并不突出。但现在它们确实很突出了，因为这种残余误差会随着量子比特和门的数量增加而增加，它们阻碍了构建更大规模的量子处理器。《Physical Review X》上的这篇论文提供了一种减少此类错误的新方法。

William D. Oliver是MIT电子工程和计算机科学的副教授，也是麻省理工学院林肯实验室研究员、量子工程中心主任。他说：”更高保真度的量子门增加了一个可以执行操作的数量，更多的操作意味着可以在更大的范围内实现更复杂的算法。”

为了消除引起错误的量子比特与量子比特之间的相互作用，研究人员利用耦合器的更高能级来消除两个量子比特之间不必要的残余相互作用。在之前的工作中，耦合器的这种能级被忽略了，尽管它们引起了不可忽略的双量子比特相互作用。

Sung说：“更好地设计和控制耦合器是按我们的需求定制量子比特与量子比特交互的关键。它可以通过设计现有的多能级动力学来实现”。

下一代量子计算机将进行纠错，这意味着将添加额外的量子比特以提高量子计算的鲁棒性。

Oliver研究员说：“我们可以通过添加冗余来积极解决量子比特错误”。然而他也指出，只有当量子门足够好时这样的过程才有效。高于特定的保真度阈值这要取决于纠错协议。 他说：“现在最宽松的门槛大约是99%。然而在实践中，人们会寻求远高于此阈值的门保真度，以适应合理水平的硬件冗余。”

Oliver表示，研究中使用的设备是在麻省理工学院林肯实验室制造的，这对于在双量子比特操作中实现已证明的保真度增益至关重要。他说：“制造高相干设备是实现高保真控制的第一步”。

Sung说：“两量子比特门的高错误率显著限制了量子硬件运行量子应用程序的能力，这些应用程序通常难以用经典计算机解决，例如量子化学模拟和解决优化问题”。到目前为止，只有小分子结构才能在量子计算机上进行模拟，而这些模拟可以很容易地在经典计算机上进行。

Sung最后表示，从某种意义上来说，我们的减少双量子比特门错误的新方法在量子计算领域是及时的，它有助于解决当今量子硬件最关键的问题之一。（编译:Qtech）