瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)的研究人员首次成功实现快速并持续地纠正数字量子系统中的错误。这意味着他们已经克服了实用量子计算道路上的一个重要障碍。

量子计算机被视为未来信息处理的希望灯塔。然而，它们是否能够取代传统计算机还存在不确定性，因为量子计算机存在一个问题：它们极易出错，而且纠错要求非常高。

苏黎世联邦理工学院的研究人员现在成功克服了一个重要的障碍。他们第一次实现能够自动纠正量子系统中的错误，从而使量子运算的结果可以在实践中使用。

ETH的物理系主任Andreas Wallraff教授说：“我们证明了使用量子比特工作的量子计算机中的错误可以快速和重复地纠正，这是构建实用量子计算机道路上的一个突破。”

量子比特的复杂排列

以前的纠错方法无法同时检测和纠正量子系统中发生的两种基本类型的错误。Wallraff的团队现在展示了第一个可以重复检测和纠正这两种类型错误的系统。

研究人员使用在苏黎世联邦理工学院自有的洁净实验室专门生产的芯片取得了这一重要成功，该芯片共有17个超导量子比特。研究团队使用所谓的“表面编码”进行纠错，这是一种将量子比特的量子信息分布在几个物理量子比特上的方法。

芯片的17个量子比特中有9个排列在一个3×3的正方形格子中，这共同构成了所谓的逻辑量子比特(量子计算机的计算单元)。芯片上剩余的8个量子比特与它们有偏移，它们的任务是检测系统中的错误。

如果逻辑量子比特中发生的干扰使信息失真，系统会将这种干扰识别为错误。然后控制电子设备会相应地校正测量信号。Wallraff小组的科学家、这项研究的主要作者Sebastian Krinner承认道：“现在，我们并没有直接纠正量子比特中的错误。但对于大多数算术运算来说，这甚至是没有必要的。”

用于控制芯片上量子比特的高度专业化的电子设备由ETH分拆的苏黎世仪器(Zurich Instruments)制造。芯片本身位于大型低温恒温器(一种特殊的冷却装置)的最底层，工作温度仅为0.01开尔文，几乎接近绝对零度。

有激烈竞争的研究领域

纠错是目前量子研究中一个竞争激烈的领域。除了苏黎世联邦理工学院或代尔夫特理工大学等顶尖大学外，竞争对手还包括谷歌和IBM等大公司。Wallraff说：“与来自德国和加拿大的同事一起，我们是第一个使用量子比特进行实际纠错的小组。这是一项让我们感到自豪的成就。这证实了我们苏黎世联邦理工学院确实在量子研究领域处于领先地位。”

ETH研究人员的下一步工作是想要构建一个具有5×5量子比特晶格的芯片，这相应地需要更复杂的技术，并且还将有更多的量子比特被用于纠错。（编译:Qtech）