基于中性镱原子的擦除转换方案 极大地增强了量子计算机的纠错能力

在 2022 年 8 月 9 日发表于《自然通讯》期刊上的一篇文章中，由普林斯顿大学的电气与计算机工程副教授 Jeff Thompson 带领的一支研究团队，详细介绍了一种可让量子计算机更有效纠错的新方法。据悉，尽管量子计算机具有化解传统计算机难以搞定的复杂问题的巨大潜力，但要求极高的敏感运行条件，也成为了影响量子计算机普及的一大阻碍。

研究配图 1 - 采用擦除转换（erasure conversion）容错中性原子的量子计算机概述

在手机上，工程师们只需通过精细调节来搞定数据收发时的杂波滤除。但利用亚原子粒子的独特量子纠缠行为，也意味着即使想要检查量子计算机中是否存在缺陷，也可能导致整个系统崩溃。

好消息是，汇集了普林斯顿大学电气和计算机工程副教授 Jeff Thompson、耶鲁大学研究合著者 Yue Wu 与 Shruti Puri、以及威斯康星大学麦迪逊分校的 Shimon Kolkowitz 跨学科团队，刚刚提出了一套新方法。

论文宣称他们能够显著提升量子计算机对故障的容忍度，减少隔离和修复错误所需的冗余信息量。通过将可接收的错误率从 1% 提升到 4%，四倍进步意味着该方案也适用于当前正在开发的量子计算机。

Jeff Thompson 表示：“量子计算机面临的基本挑战，就是操作环境不能嘈杂，否者设备就容易陷入无数错误的失效模式”。

研究配图 2 - 门误差模型和模拟性能

对于采用二进制（0 和 1）的传统计算机，错误顶多是两个比特位发生了翻转、或者像两台无线路由器产生了干扰一样混乱。

处理此类故障的常用方法，就是留足冗余的量，以便将每条数据和重复副本进行比较 —— 但是此举也增加了所需准备的数据量，同时也存在着制造更多错误的可能。

正因如此，该方案只能在绝大多数信息可确保正确时才能生效。否则基于错误数据来检查错误数据，只会导致系统陷入更大的混乱。

Thompson 指出 ——“如果基线错误率太高，那冗余就是一个糟糕的策略选择”。为此，该团队并未专注于减少错误的数量、而是让错误更加凸显。

通过深入研究错误的实际物理成因来设计系统，他们得以有效地消除最常见的错误来源、而不是简单地破坏损坏的数据。

这种行为代表了一种被称作“错误擦除”的特殊错误，本质上这种错误比损坏了、但看起来与所有其它数据一样的数据，更容易被纠错机制给清楚掉。

研究配图 3 - 存在擦除错误时的电路级错误阈值

传统计算机中，如果一包所谓的冗余信息出现为 11001 。那么假设稍微更普遍的 1 是正确的、而 0 是错误的，就有可能造成误判的风险。但若信息是 11XX1，出错比特位就更容易被曝光了。

Thompson 表示：“这些擦除错误更容易被纠正，因为你知道它们就在那里。它们可被排除在多数票之外，这就是一个巨大的优势”。

问题在于，尽管在传统计算机上这么做很好理解。但研究人员此前从未想过将它照搬到量子计算机上，以将错误转换为擦除。

让人感到欣喜的是，他们提出的系统方案，能够承受高达 4.1% 的错误率 —— 这完全处于当前量子计算机可适用的范围内。

相比之下，之前的先进系统，最多也只能处理不到 1% 的错误率 —— 意味着擦除转换较竞争方案更抵近量子系统能力的边缘。

研究配图 4 - 低于阈值的逻辑错误缩放

错误擦除机制证明了 Thompson 多年前做出选择的一个意想不到的好处，他在研究中探索了“中性原子量子比特”，其中量子比特信息被存储到了单个原子上。

为此，他们首先挑中了镱（Yb）元素 —— 部分原因是它的最外层只有两个电子，而大多数其它中性原子量子比特只有一个。

Thompson 将之视作一把瑞士军刀，而镱正好是一款更壮实的型号。拥有两个电子所带来的额外复杂性，为系统提供了诸多独特的工具、并且在错误消除上尤为实用。

研究团队提议将镱中的电子从稳定“基态”泵浦到激发的“亚稳态”—— 这种激发态可在适当条件下长期存在，但本质上又是相当脆弱的。

但与直觉相反的是，研究团队却建议利用这一特性，对量子信息进行编码。Thompson 将之比作“让电子走钢丝”，且精心设计的系统会让导致出错的相同因素，将电子也从钢丝绳上抖落下来。

（来自：Nature Communications）

一旦它们回落至稳定的基态，电子就会以一种非常明显的方式散射光。因此将光照射在镱量子比特的集合上，只会导致有缺陷的量子比特被点亮、意味着这部分错误需要被擦除掉。

综上所述，这支跨学科研究团队的密切合作，融入了对量子计算硬件和纠错理论的独到见解。此外设计量子比特以产生可擦除错误的设想，也有望在其它系统的打造过程中扮演关键的角色。

目前 Thompson 团队正致力于在一台结合了数十个量子比特的小型量子计算机上，更进一步地演示如何运用这套错误转换擦除方案。

有关这项研究的全文，还请移步至《自然通讯》期刊去查看，原标题为《Erasure conversion for fault-tolerant quantum computing in alkaline earth Rydberg atom arrays》。