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量子纠错(QEC)旨在通过使用大希尔伯特空间的冗余来保护逻辑量子位不受噪声的影响,该空间允许实时检测和纠正错误。在大多数QEC编码中,逻辑量子比特被编码在一些离散变量中,例如光子数,这样编码后的量子信息可以在处理后清晰地提取出来。在过去的十年中,重复QEC已经在各种离散变量编码场景中得到了验证。然而,将这样编码的逻辑量子位的寿命延长到可用的最佳物理量子位之上仍然是难以捉摸的,这代表了判断QEC实际用途的盈亏平衡点。

2023年3月22日,南方科技大学俞大鹏,徐源,福州大学郑仕标及清华大学孙麓岩共同通讯在Nature 在线发表题为“Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit”的研究论文,该研究演示了一个电路量子电动力学架构中的QEC过程,其中逻辑量子位以微波腔的光子数状态二项编码,色散耦合到辅助超导量子位。

通过将具有定制频率梳的脉冲应用于辅助量子位,该研究可以重复地高保真地提取错误症状(error syndrome),并相应地使用反馈控制进行错误校正,从而超过保本平衡点约16%的寿命增强。总之,该研究工作说明了硬件高效的离散变量编码在容错量子计算中的潜力。

另外,2023年3月20日,南方科技大学刘心元团队在Nature 在线发表题为“Enantioconvergent Cu-catalyzed N-alkylation of aliphatic amines”的研究论文,该研究报道了利用手性三羧酸阴离子配体实现了脂肪族胺与α-羰基烷基氯化物在铜催化下的化学选择性和对映收敛N-烷基化反应。该方法可以在温和、稳定的条件下,直接将包括氨和药用相关胺在内的原料化学品转化为非天然手性α-氨基酰胺。具有良好的对映选择性和官能团耐受性。该方法的能力在许多复杂的设置中得到了证明,包括后期功能化和在不同胺类药物分子的加速合成中。目前的方法表明,"多齿"阴离子配体是克服过渡金属催化剂中毒的一般解决方案(点击阅读)。

构建量子计算机的主要障碍之一是环境诱导的退相干(decoherence),它会破坏存储在量子位中的量子信息。由退相干引起的误差可以通过重复应用量子误差校正(QEC)程序来纠正,其中逻辑量子比特被编码在高维希尔伯特空间中,这样不同的错误将系统投射到不同的正交子空间中,因此可以明确地识别和纠正,而不会干扰存储的量子信息。在传统的QEC方案中,逻辑量子比特的码字是由几个物理量子比特的两个高度对称的纠缠态组成的,这些纠缠态用一些离散变量编码。
在过去的二十年中,这种QEC代码在不同系统中的实验演示取得了显著的进展,包括核自旋、金刚石中的氮空位中心、俘获离子、光子量子比特、硅自旋量子比特和超导电路。然而,在这些实验中,逻辑量子比特的寿命还需要大大延长,才能达到可用的最佳物理组件的寿命,这被视为判断QEC代码是否有利于量子信息存储和处理的盈亏平衡点。
具有最低阶二项编码逻辑量子位的QEC过程示意图(图源自Nature
另一种QEC编码方案是利用振荡器的大空间,它可以用来编码连续变量或离散变量量子位。这两种类型的代码都可以容忍由于能量量子的损失和获得而导致的错误,从而使QEC能够以一种硬件高效的方式执行。电路量子电动力学(QED)系统代表了实现这种编码方案的理想平台:通过将量子信息分布在连续变量编码的光子量子比特的无限维希尔伯特空间上,已经在两个突破性实验中超过了保本点,但该光子量子比特的码字不是严格正交的。
这种固有的限制可以用离散变量编码方案克服,其中逻辑量子位的码字是用振荡器的相互正交的福克状态编码的。这一特性,加上它们与纠错的内在兼容性,以及它们在逻辑连接量子网络中的模块方面的有用性,使得这种离散变量量子位在容错量子计算中很有前途。只有当编码的逻辑量子位的生命周期超过盈亏平衡点时,这些优势才能在真正的量子信息处理中转化为实际利益,然而,这仍然是一个难以实现的结果,尽管人们已经为此做出了持久的努力。
频率梳式控制测量错误症状(图源自Nature
该研究演示了一个离散变量光子量子比特在微波腔中通过实时反馈修正超过QEC损亏平衡点,其码字保持相互正交,可以明确区分。逻辑量子位的主要误差,单光子损失,被映射到一个基于约瑟夫森结的非线性振荡器的状态,该振荡器色散耦合到腔体,并作为一个辅助量子位,由一个连续脉冲实现,涉及一个巧妙定制的频率成分梳。
当驱动频率指向发生光子损失事件的错误空间时,逻辑量子位上的扰动在编码的逻辑空间中被高度抑制。这种错误症状检测的另一个内在优势是连续驱动保护系统不受辅助量子比特的失相噪声的影响。研究人员用最低阶二项式代码演示了这一过程,并将存储的量子信息寿命延长了16%,比最佳物理量子位长16%,编码在两个最低的Fock状态中,被称为Fock量子位。与这种错误检测过程相关的一个更重要的特征是,无论是逻辑空间还是错误空间都不需要有明确的奇偶校验,这使得QEC代码的实现可以容忍多个光子的损失。
参考消息:
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05784-4

—END—

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