科学家们刚刚破解了隐藏在单个原子中的量子密码

澳大利亚的一个研究小组创建了一个量子逻辑门，通过使用强大的 GKP 纠错码对量子比特进行编码，使用更少的量子比特，通过将量子振动缠绕在单个原子内，实现了一个里程碑——改变量子计算机的扩展方式。

悉尼大学量子科学家建造的纠缠逻辑门

为了构建一台可以工作的大型量子计算机，科学家和工程师需要克服量子比特或量子比特在运行过程中产生的自发错误。

科学家们对这些量子信息的构建块进行编码，以抑制其他量子比特中的错误，以便少数人能够以产生有用结果的方式进行作。

随着有用（或逻辑）量子比特数量的增加，所需的物理量子比特数量也会进一步增加。随着规模的扩大，创建有用的量子机器所需的量子比特数量将成为工程噩梦。

现在，悉尼大学纳米研究所量子控制实验室的量子科学家首次展示了一种量子逻辑门，可以大大减少其运行所需的物理量子比特数量。

为此，他们使用绰号为量子计算“罗塞塔石碑”的纠错代码在单个原子上构建了一个纠缠逻辑门。它之所以得名，是因为它将平滑、连续的量子振荡转化为干净的、类似数字的离散态，使错误更容易发现和修复，重要的是，它允许以高度紧凑的方式对逻辑量子比特进行编码。

GKP 代码：量子计算的罗塞塔石碑

多年来，这个名字奇怪的 Gottesman-Kitaev-Preskill （GKP） 代码一直为显着减少产生正常运行的“逻辑量子比特”所需的物理量子比特数量提供了一种理论可能性。尽管以效率换取复杂性，但使代码难以控制。

8 月 21 日发表在《自然物理学》上的研究证明了这一点，它利用捕获离子（镱的带电原子）的自然振荡来存储 GKP 代码，并首次实现了它们之间的量子纠缠门。

在悉尼大学纳米研究所的悉尼地平线研究员谭庭雷(Tingrei Tan 音译) 博士的领导下，科学家们利用他们对捕获离子谐波运动的精妙控制来弥合 GKP 量子比特的编码复杂性，从而证明它们的纠缠。

团队的实验表明，GKP量子比特的通用逻辑门集首次实现，研究人员通过精确控制捕获离子的自然振动或谐波振荡来做到这一点，这样就可以将单个 GKP 量子比特或将它们作为一对纠缠在一起。

量子逻辑门和软件创新

逻辑门是一种信息开关，允许计算机（量子计算机和经典计算机）可编程以执行逻辑作。量子逻辑门利用量子比特的纠缠来产生一种与经典计算中使用的作系统完全不同的作系统，这支撑了量子计算机的巨大前景。

悉尼大学纳米物理学院的 瓦西里.马索斯(Vassili Matsos) 表示：实际上，他们将两个可纠错的逻辑量子比特存储在一个捕获的离子中，并证明它们之间的纠缠。

他们使用量子控制实验室的衍生初创公司 Q-CTRL 开发的量子控制软件来做到这一点，该软件具有基于物理的模型来设计量子门，最大限度地减少 GKP 逻辑量子比特的失真，因此它们在处理量子信息时保持 GKP 代码的微妙结构。”

量子技术的里程碑

马索斯所做的是纠缠单个原子的两个“量子振动”。被捕获的原子在三维空间中振动。每个维度的运动都由量子力学描述，每个维度都被认为是“量子态”。通过纠缠其中两个以量子比特形式实现的量子态，马索斯只需要使用单个原子创建了一个逻辑门，这是量子技术的一个里程碑。

这一结果大大减少了创建这些逻辑门所需的量子硬件，从而允许对量子机器进行编程。

GKP纠错码长期以来一直承诺减少硬件需求，以解决扩展量子计算机的资源开销挑战。这项实验实现了一个关键的里程碑，证明这些高质量的量子控制提供了一个关键工具来纵多个逻辑量子比特。

通过使用这些量子比特展示通用量子门，科学家们为以高度硬件效率的方式实现大规模量子信息处理奠定了基础。

在论文中描述的三个实验中，Tan 博士的团队使用了所谓的保罗阱中包含的单个镱离子。这在室温下使用复杂的激光阵列将单个原子固定在陷阱中，从而控制其自然振动并利用它来产生复杂的 GKP 代码。

这项研究代表了一个重要的证明，即量子逻辑门可以在减少物理数量的量子比特的情况下开发，从而提高其效率。