使用纠删转换的容错中性原子量子计算机概述。中性原子量子计算机的示意图，在显微镜物镜下有一个原子平面，用于成像荧光并投射捕获和控制场。b 物理量子位是独立的171Yb原子。量子位状态编码在亚稳态6s6p中 3P0F = 1/2电平（子空间Q），双量子位门通过Rydberg状态|r⟩|r⟩r|r\right\rangle执行，该状态通过单光子跃迁（λ = 302 nm）访问，Rabi频率Ω。门期间的主要误差是从|r⟩|r⟩\left|r\right\rangle衰减，总速率Γ = ΓB6 .R6 .Q.只有一小部分ΓQ/Γ ≈ 0.05 返回到量子比特子空间，而剩余的衰变是黑体 （BBR） 过渡到附近的里德伯状态 （ΓB/Γ ≈ 0.61） 或辐射衰减至基态 6s2 1S0(ΓR/Γ ≈ 0.34).在栅极的末端，通过检测基态原子（子空间R）的荧光，或通过自电离电离任何剩余的里德伯星群，并收集Yb跃迁（子空间B）上的荧光，可以检测这些事件并将其转换为擦除误差。c 本著作中研究的XZZX曲面代码的补丁，显示数据量子位（开环），腋毛量子位（填充圆）和稳定器操作，按箭头指示的顺序执行。d 表示数据量子位 D 上稳定器测量值的量子电路+1− D4使用安西拉 A1具有交错的擦除转换步骤。在每个栅极之后应用擦除检测，并根据需要使用可移动的光学镊子从储层中替换擦除的原子。严格来说，只需要替换被检测到的离开子空间的原子，但是替换两者可以防止第二个原子上未检测到泄漏的可能性。图片来源：Nature Communications （2022）。DOI： 10.1038/s41467-022-32094-6

研究人员发现了一种纠正量子计算机计算错误的新方法，可能清除了强大的新计算领域的主要障碍。

在传统计算机中，修复错误是一个发展良好的领域。每部手机都需要检查和修复，才能通过凌乱的电波发送和接收数据。量子计算机为解决某些传统计算机不可能的复杂问题提供了巨大的潜力，但这种能力取决于利用亚原子粒子极其短暂的行为。这些计算行为是如此短暂，以至于即使查看它们以检查错误也可能导致整个系统崩溃。

在8月9日发表在《自然通讯》杂志上的一篇概述纠错新理论的论文中，由普林斯顿大学电气和计算机工程副教授Jeff Thompson领导的跨学科团队，以及耶鲁大学的Yue Wu和Shruti Puri以及威斯康星大学麦迪逊分校的Shimon Kolkowitz，表明他们可以显着提高量子计算机对故障的容忍度， 并减少隔离和修复错误所需的冗余信息量。新技术将可接受的错误率提高了四倍，从1%提高到4%，这对于目前正在开发的量子计算机来说是实用的。

“量子计算机面临的根本挑战是，你想做的操作是嘈杂的，”汤普森说，这意味着计算容易出现无数的故障模式。

在传统计算机中，错误可以像一点内存意外从1翻转到0一样简单，也可以像一个无线路由器干扰另一个无线路由器一样混乱。处理此类错误的常用方法是构建一些冗余，以便将每条数据与重复副本进行比较。但是，这种方法增加了所需的数据量，并创造了更多出错的可能性。因此，它仅在绝大多数信息已经正确时才有效。否则，根据错误数据检查错误数据会导致更深的错误陷阱。

“如果你的基线错误率太高，冗余是一个糟糕的策略，”汤普森说。“低于这一门槛是主要挑战。

汤普森的团队不是仅仅关注减少错误的数量，而是基本上使错误更加明显。该团队深入研究了错误的实际物理原因，并设计了他们的系统，以便最常见的错误来源有效地消除而不是简单地破坏损坏的数据。汤普森说，这种行为代表了一种称为“擦除错误”的特定类型的错误，这种错误从根本上说比损坏但看起来仍然像所有其他数据一样的数据更容易清除。

在传统计算机中，如果一个所谓的冗余信息包显示为11001，那么假设稍微流行的1是正确的，而0是错误的，这可能是有风险的。但是，如果信息显示为11XX1，其中损坏的位很明显，则情况更具说服力。

“这些擦除错误非常容易纠正，因为你知道它们在哪里，”汤普森说。“他们可以被排除在多数票之外。这是一个巨大的优势。

Thompson说，擦除错误在传统计算中很好理解，但研究人员以前没有考虑过尝试设计量子计算机以将错误转换为擦除。

实际上，他们提出的系统可以承受4.1%的错误率，汤普森说这完全在当前量子计算机的可能性范围内。在以前的系统中，最先进的纠错可以处理不到1%的误差，Thompson说，这处于任何具有大量量子位的当前量子系统的能力的边缘。

事实证明，该团队产生擦除错误的能力是Thompson多年前做出的选择带来的意想不到的好处。他的研究探索了“中性原子量子比特”，其中量子信息（“量子比特”）存储在单个原子中。他们率先将镱元素用于此目的。汤普森说，该小组选择镱部分是因为它最外层的电子中有两个电子，而大多数其他中性原子量子比特只有一个。

“我认为它是一把瑞士军刀，而这把镱是更大，更胖的瑞士军刀，”汤普森说。“你从拥有两个电子中获得的额外一点点复杂性给你带来了很多独特的工具。

事实证明，使用这些额外工具的一次使用对于消除错误很有用。该团队建议将电子泵入镱中，并从其稳定的“基态”泵送到称为“亚稳态”的激发态，亚稳态在适当的条件下可以长期存在，但本质上是脆弱的。与直觉相反，研究人员建议使用这些状态来编码量子信息。

“这就像电子在走钢丝上，”汤普森说。该系统的设计使得导致错误的相同因素也会导致电子从钢丝绳上掉下来。

作为奖励，一旦它们下降到基态，电子就会以非常明显的方式散射光，因此在一组镱量子比特上照射光只会导致有缺陷的量子比特亮起。那些点亮的应该作为错误注销。

这一进步需要结合量子计算硬件和量子纠错理论的见解，利用研究团队的跨学科性质和他们的密切合作。虽然这种设置的机制是特定于汤普森的镱原子的，但他说，工程量子量子比特以产生擦除错误的想法可能是其他系统的有用目标 - 其中有许多正在开发中 - 并且是该小组正在继续研究的目标。

“我们认为这个项目正在布置一种架构，可以以许多不同的方式应用，”Thompson说，并补充说，其他团队已经开始设计他们的系统，将错误转换为擦除。“我们已经看到很多有趣的事情是为这项工作寻找改编。

作为下一步，Thompson的团队现在正致力于在一台结合了几十个量子位的小型工作量子计算机中演示将错误转换为擦除。

这篇论文“碱土里德伯原子阵列中容错量子计算的擦除转换”于8月9日发表在《自然通讯》杂志上。

更多信息：Yue Wu等人，碱土Rydberg原子阵列中容错量子计算的Erasure转换，Nature Communications（2022）。DOI： 10.1038/s41467-022-32094-6

期刊信息：自然通讯