科学家们承诺量子计算机在解决某些问题方面要比经典机器强大得多。但量子比特(量子计算机的基本运算单元)的量子性质是非常脆弱的，并且对环境噪声很敏感。因此，为了执行可扩展、有用的量子计算，科学家们需要以一种有效的方式来纠正这些错误。而实现这一目标的一个重要步骤是以阻止可纠正错误传播的方式来执行量子计算。现在，来自奥地利和德国的研究人员首次通过实验证明了一套通用的容错量子操作，这为大规模纠错量子计算奠定了基础。

任何纠错方法的关键是为需要保护的信息添加冗余。例如，一台经典计算机可能会为每个比特制作多个副本，以便如果任何一个比特出现不正确地值时，在计算结束后可用查看所有比特就能很好地了解其正确的值应该是什么。在量子计算机中，复制和检查信息更为复杂，但添加冗余的想法是相同的：包含在单个物理量子比特中的数据通过纠缠在许多量子比特间传播，这种方式使机器既能检测错误，又能在不影响计算状态的情况下进行修正。这些物理量子比特被称为逻辑量子比特，纠缠转换被称为编码。

如果所有人都只关心保持逻辑量子比特的状态永远不变，那么纠错将相对简单了。但当需要操纵这个大型复合系统的状态时，真正的困难就出现了，因为量子算法的每一步现在都必须在编码成一个逻辑量子比特的许多物理量子比特上执行。这增加了错误并产生了额外的问题，因为并非所有的量子操作都可以直接转换成这种大型的逻辑形式。众所周知，一种被称为T门的重要量子操作需要复杂且占用大量资源的方法才能以容错的方式执行——更不用说多量子比特的交互了。

发表在《自然》杂志上的一项最新工作中，来自因斯布鲁克大学和亚琛工业大学的研究人员在离子阱量子计算机上展示了一整套的容错量子操作。除了实现T门外，该操作集合还包括在被称为逻辑泡利本征态的配置中准备量子比特，并在两个逻辑量子比特之间创建了一个纠缠的CNOT门。这些操作允许将单个量子比特转换为每一种可能的状态并能与其他量子比特交互，使它们成为了容错设置中任意量子计算的基本构建块。

研究团队实验中的量子比特以16个钙离子的电子态来编码，这些钙离子通过磁场(宏观的保罗阱)悬浮在空中，并由单独的激光束来进行控制。使用捕获离子量子比特的优势包括具有更低的错误率和更好的量子比特间的连接性，但在扩展性方面这项技术存在挑战。研究人员利用7个物理量子比特，通过一种被称为“色码”的编码方式来生成每个逻辑量子比特，他们的系统还加入了额外的物理“记号”量子比特来表示系统中存在危险的错误。这种技术能大大减少了纠错所需的资源。重要的是，他们的实验表明，尽管底层算法有额外的复杂性，但容错方案的性能要比非容错实现的要好。

这些结果标志着容错量子计算向前迈出了一大步，尽管在进行真正的大规模实验之前还有很多步骤要做。因斯布鲁克大学博士生、论文作者之一Lukas Postler说：“编码更多逻辑量子比特是我们的下一个目标之一，方法要么是使用更小的纠错码，要么是通过将多个逻辑量子比特置于一个纠缠多个量子比特态的代码。我们的一个短期目标是开发一种更精细的错误模型，以便更好地理解错误过程及其对逻辑量子比特性能的影响。”除了在短期内对错误进行建模和实现更多逻辑量子比特外，从长远来看，研究人员还希望在系统上进行重复纠错，这对于大规模的量子计算是必不可少的。（编译:Qtech）