减少量子计算误差

麻省理工学院的研究人员在完全实现量子计算的道路上取得了重大进展，他们展示了一种技术，消除了量子算法最基本操作中的常见错误，即双量子位运算或“门”。

麻省理工学院电子工程和计算机科学研究生Youngkyu Sung说:“尽管超导量子比特(量子位)在以低误差率进行计算方面取得了巨大进展，但量子计算的基石之一——双量子位门的错误仍然存在。”“我们已经证明了一种大幅减少这些错误的方法。”

在量子计算机中，信息的处理是一个极其微妙的过程，由脆弱的量子位元完成，这些量子位元非常容易发生退相干，即失去它们的量子力学行为。在Sung和他所在的麻省理工学院工程量子系统研究小组之前的研究中，提出了可调谐耦合器，允许研究人员打开和关闭双量子位相互作用来控制它们的操作，同时保留脆弱的量子位。可调耦合器的想法代表了一个重大的进步，谷歌举例说，这是他们最近证明量子计算相对于经典计算的优势的关键。

然而，寻址错误机制就像剥洋葱:剥了一层就会发现下一层。在这种情况下，即使使用可调谐耦合器，双量子位门仍然容易产生错误，这是由于两个量子位之间以及量子位和耦合器之间剩余的不希望的相互作用造成的。在可调耦合器出现之前，这些不需要的交互通常被忽略，因为它们并不突出——但现在它们突出了。而且，由于这些残余误差随着量子位和门的数量增加而增加，它们阻碍了构建更大规模的量子处理器。

麻省理工学院林肯实验室的电子工程和计算机科学副教授William D. Oliver说:“我们现在进一步发展了可调谐耦合器的概念，并证明了两种主要类型的双量子位门，即受控z门和iSWAP门，精确度接近99.9%。”他是量子工程中心的主任，也是工程量子系统小组所在地电子学研究实验室的副主任。“高保真度门增加了一个人可以执行的操作的数量，更多的操作意味着在更大的规模上实现更复杂的算法。”

为了消除引起误差的量子位-量子位相互作用，研究人员利用耦合器的更高能级来抵消有问题的相互作用。在以前的工作中，耦合器的这种能级被忽略了，尽管它们引起了不可忽略的双量子位相互作用。

“更好地控制和设计耦合器是实现量子位-量子位相互作用的关键。这可以通过设计现有的多级动力学来实现。”

下一代量子计算机将被纠正错误，这意味着额外的量子位将被添加，以提高量子计算的稳健性。

“量子位错误可以通过增加冗余来积极地解决，”Oliver说，然而，这样的过程只有在门足够好的情况下才会起作用——高于一定的保真阈值，这取决于错误校正协议。“目前最宽松的门槛是99%左右。然而，在实践中，人们寻求比这个阈值高得多的门保真度，以适应合理水平的硬件冗余。”

奥利弗说，在这项研究中使用的设备是由麻省理工学院林肯实验室制造的，是实现双量子位运算保真度的基础。

“制造高相干器件是实现高保真控制的第一步，”他说。

Sung说:“双量子位门的高误差率极大地限制了量子硬件运行量子应用的能力，这些应用通常很难用经典计算机解决，如量子化学模拟和解决优化问题。”

到目前为止，只有小分子在量子计算机上被模拟过，这些模拟可以在经典计算机上轻松进行。

“从这个意义上说，我们减少双量子位门错误的新方法在量子计算领域是及时的，并有助于解决当今最关键的量子硬件问题之一，”他说。