容错量子计算机，已完成基本构建

文|陈根

随着科技的发展以及制造工艺的进步，现代计算机在处理和存储信息的过程中已经鲜少出现错误。然而，在关键应用处，即使是微小的错误也会产生严重的影响，因此基于处理数据的冗余度验证与纠错机制仍然被广泛使用。

相比传统计算机，量子计算机对外部噪声更加敏感，因此其纠错机制至关重要。到目前为止，虽然研究人员已成功在硅量子点中开发了具有长信息保留时间和高精度量子运算的单电子自旋，但量子非破坏保持依然十分困难。

此外，量子不可克隆定理表明，对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制过程不可实现，需要通过将逻辑量子信息分配到多个物理系统的纠缠态来实现冗余。这就需要一套通用的门，对所有算法进行编程。

近日，因斯布鲁克大学的研究人员首次成功在两个逻辑量子位上实现了一套计算操作，在具有16个被捕获原子的离子阱量子计算机上实现了这个通用门集。这意味着容错量子计算机或将成为现实。

量子门是构建量子计算机的基本单元，实现高保真度的量子门操作是容错量子计算的必要条件。因此，研究人员在逻辑量子位中准备了一个特殊的状态，并通过纠缠门操作将其传送到另一个量子位来演示T门。

在编码过的逻辑量子位中，存储的量子信息被保护着，不会出错。但如果不进行计算操作，这样的量子位就是无用的。因此，研究人员在逻辑量子位上进行了操作，使基础物理操作引起的错误可以被检测和纠正，并在编码的逻辑量子位上实现了通用门集的第一个容错演示。

可以说，在容错量子位中，实现基于两个量子位(一个 CNOT门，即量子受控非门)和一个逻辑T门的计算操作难以进行。但该研究在离子阱量子计算机上实现了通用量子门集，这对于容错量子计算机的发展具有重大意义。

目前，研究人员已经在量子计算机上证明了该容错计算的所有构建模块；未来，他们准备在容积更大、效率更高的量子计算机上实现这些方法。