量子计算的分子方法导致更少的错误

在一项新的理论研究中，加州理工学院的物理学家们展示了分子在理论上可以如何用于减少量子计算中的错误。该策略涉及将旋转的分子“重叠”放置，这意味着它将同时以多个方向存在。在此插图中，左侧显示了三个不同的分子方向。最右边的图表示这些分子状态的叠加。

新的研究表明，在量子计算中使用分子如何减少错误。

未来量子计算机背后的技术正在快速发展，并且有几种不同的方法正在开发中。量子计算机的许多策略或“蓝图”都依赖于原子或类似人造原子的电路。在物理评论X杂志上的一项新理论研究中，加州理工学院的一群物理学家证明了一种研究较少的方法的好处，这种方法不依赖于原子而是依赖于分子。

主要作者维克多·阿尔伯特（Victor Albert），李·阿·杜布里奇（Lee A. DuBridge）理论物理学博士后学者说：“在量子世界中，我们有几个蓝图，我们正在同时完善所有这些蓝图。”“自2001年以来，人们一直在考虑使用分子对信息进行编码，但是现在我们正在展示比原子更复杂的分子如何减少量子计算中的错误。”

量子计算机的核心是所谓的量子位。这些类似于经典计算机中的位，但是与经典位不同，它们可能会遇到一种奇怪的现象，即叠加，即它们同时以两种或多种状态存在。就像著名的薛定ding（Schrödinger）的猫思想实验描述了一只既死又活的猫一样，粒子可以一次以多种状态存在。叠加现象是量子计算的核心：量子比特可以同时采取多种形式这一事实意味着，量子比特的计算能力比经典比特要大得多。

显示分子的例证处于重叠状态。

但是叠加的状态是一种微妙的状态，因为量子位容易崩溃而失去其所需的状态，这会导致计算错误。

“在传统计算中，您必须担心位翻转，其中“ 1”位变为“ 0”，反之亦然，这会导致错误， Albert说。“这就像掷硬币，而且很难做到。但是在量子计算中，信息以易碎的叠加形式存储，甚至一阵风的量子等价物也可能导致错误。”

但是，研究人员说，如果量子计算机平台使用由分子构成的量子比特，那么与其他量子平台相比，这些类型的错误更有可能被阻止。这项新研究背后的一个概念来自加州理工学院的研究人员约翰·普雷斯基尔（John Preskill），理查德·P·费曼（Richard P.Feynman）理论物理学教授，量子信息与物质研究所（IQIM）主任以及阿列克谢·基塔耶夫（Alexei Kitaev），罗纳德·马克西（Ronald and Maxine）加州理工学院理论物理与数学教授林德（Linde）以及他们在加拿大安大略省外围研究所的同事丹尼尔·戈茨曼（Daniel Gottesman）（PhD '97）。当时，科学家提出了一个漏洞，该漏洞可以为一种称为海森堡不确定性原理的现象提供一种方法，该现象由德国物理学家维尔纳·海森伯格（Werner Heisenberg）于1927年提出。该原理指出，人们不能同时以很高的精度同时知道粒子的位置和行进方向。

“开玩笑，海森堡被一名警察拉了过来，他说他知道海森堡的时速是每小时90英里，海森堡回答说，‘现在我不知道我在哪里，”艾伯特说。

不确定性原则对量子计算机是一个挑战，因为它意味着无法充分了解量子位的量子状态，从而无法确定是否发生了错误。但是，Gottesman，Kitaev和Preskill指出，虽然无法测量粒子的确切位置和动量，但可以检测到其位置和动量的微小变化。这些变化可能表明发生了错误，从而有可能将系统推回正确的状态。这种错误校正方案在其发现者之后被称为GKP，最近已在超导电路设备中实现。

Preskill是 Physical Review X论文的合著者，也是新的由能源部资助的名为量子系统加速器的科学中心的科学协调员。“纠错的全部目的是使我们对潜在错误的认识最大化。”

在新论文中，这个概念被应用于叠加旋转分子。如果分子的方向或角动量发生少量位移，则可以同时纠正这些位移。

阿尔伯特说：“我们希望跟踪在噪声作用下演化的量子信息。”“噪音把我们踢了一下。但是，如果我们精心选择了分子状态的叠加，则只要它们足够小，我们就可以测量方向和角动量。然后，我们可以将系统踢回去进行补偿。”

该论文的合著者，前加州理工学院博士后学者，最近加入伊利诺伊大学教授的雅各布·科维（Jacob Covey）表示，最终有可能最终对诸如此类的量子信息系统中使用的分子进行个别控制。他和他的团队在使用光学激光束或“镊子”控制单个中性原子方面取得了长足进步（中性原子是量子信息系统的另一个有希望的平台）。

“分子的吸引力在于它们是非常复杂的结构，可以非常密集地堆积，” Covey说。“如果我们能够提出在量子计算中如何利用分子的方法，那么我们就可以对信息进行鲁棒的编码，并提高量子比特的打包效率。”

阿尔伯特（Albert）说，自己的三人组合（Preskill和Covey）提供了理论和实验专业知识的完美结合，从而获得了最新的成果。他和普里斯基尔都是理论家，而科维则是实验家。“很高兴有像John这样的人来帮助我提供所有这些纠错代码理论的框架，而Jake为我们提供了有关实验室中正在发生的事情的重要指导。”

Preskill说：“这是我们三个人中没有一个人可以独自撰写的论文。量子信息领域的真正有趣之处在于，它鼓励我们在其中一些方面进行互动，而加州理工学院体积小巧，是完成此工作的理想之地。”

参考：维克多·阿尔伯特（Victor V. Albert），雅各布·科维（Jacob P. Covey）和约翰·普里斯基尔（John Preskill）的分子中量子比特的鲁棒编码，2020年9月1日，物理评论X。
10.1103 / PhysRevX.10.031050

Physical Review X研究是由陆军研究办公室，美国国家科学基金会（NSF）和加州理工学院资助的。