量子計算機程序具有“通用性”？基於拓撲量子糾錯碼的量子計算機

不管量子計算機的內部是由什麼組成，量子計算機的快速計算都可以歸結爲應用於量子比特的簡單指令序列，即量子計算機內部的基本信息單位。無論這臺計算機是由離子鏈、超導體結還是硅片組成，事實證明，一次隻影響一個或兩個量子比特的幾個簡單操作，就可以混合搭配起來創建任何量子計算機程序：這一特徵使特定的幾個量子計算機程序具有“通用性”。

科學家們稱這些簡單的操作爲量子門，並花了數年時間來優化量子門安裝在一起的方式，而且已經大幅削減了給定計算所需量子門和量子比特的數量，並發現瞭如何在確保錯誤不會悄悄進入並導致失敗的同時完成所有這些工作。現在，馬里蘭大學聯合量子研究所（JQI）的科學家，已經發現只使用固定數量的簡單構建塊，就可以實現堅固耐錯量子門的方法：基本上在一個稱爲電路深度的參數上實現了可能的最佳減少。

其研究結果適用於基於拓撲量子糾錯碼的量子計算機，現在發表在《物理評論快報》和《物理評論B》期刊上的兩篇研究論文中報道了這一發現，並在發表在《量子》(Quantum)雜誌上的第三篇論文中進行了擴展。電路深度計算影響每個量子比特量子門的數量，而恆定的深度意味着給定操作所需的量子門數量不會隨着計算機的增長而增加：如果要控制錯誤，這是必需的。

量子比特量子門

馬里蘭大學聯合量子研究所（JQI）研究員、馬里蘭大學(UMD)物理學副教授邁薩姆·巴爾克什利(Maissam Barkehli)表示：對於穩定和通用的量子計算機來說，這是一個有希望的功能。研究發現物質拓撲態和拓撲糾錯碼中的一大類運算，可以通過恆定深度的麼正電路來實現。與其他類型的量子計算機不同，建立在拓撲糾錯基礎上的量子計算機（到目前爲止只在理論上進行了研究）不會將信息存儲在單個物理量子比特中。

取而代之的是，它們將單個量子比特的信息塗抹在由許多量子比特組成的網絡中-或者，更奇異的是，跨越特殊的拓撲材料。這種信息塗抹提供了抵禦雜散光點或微小振動（可能導致錯誤的量子干擾）的彈性，並允許在計算過程中檢測到小錯誤，然後進行主動校正。這是基於拓撲糾錯量子計算機提供的主要優勢之一。但好處是要付出代價的：如果噪音不能輕易到達信息，你也不能。

到目前爲止，似乎操作這樣一臺量子計算機需要對存儲信息的網絡進行小、順序的改變：通常被描述爲二維的網格或晶格。隨着時間的推移，這些微小的變化疊加在一起，有效地將晶格的一個區域圍繞另一個區域進行循環移動，使網絡看起來與剛開始時一樣。網絡的這些變化被稱爲辮子，因爲它們在空間和時間上描繪的模式看起來像辮子。如果你想象把網絡的快照像煎餅一樣堆疊起來，它們會一步一步地形成一個抽象的辮子。

晶格網絡

根據網絡的基本物理，包括可以在網絡上跳來跳去被稱爲任意子粒子的種類，這些辮子可能足以運行任何量子程序。在這項新研究中，研究展示了編織幾乎可以瞬間完成，打結圖消失了，取而代之的是網絡就地重新排列。馬里蘭大學聯合量子研究所（JQI）前博士後研究員、目前是IBM托馬斯·J·沃森研究中心研究人員的朱冠宇表示：教科書上的這些辮子只能絕熱或非常緩慢地編織，以避免在這個過程中製造錯誤。

然而，在這項研究中，研究人員意識到，與其緩慢移動相互環繞着任意子的區域，只需以恆定的步數拉伸或擠壓它們之間的空間即可。其一是進行局部修改，重新配置組成網絡物理量子比特之間的相互作用。這一部分與普通編織的要求沒有太大不同，但假設它在被編織的區域內平行發生。第二個要素是交換物理量子比特上的信息能力，這些量子比特彼此並不接近，甚至可能在編織區的相反角落。

系統及元件

第二個要求對於一些量子計算硬件來說是一個很大的要求，但作者說，有一些系統可以自然地支持它。各種具有遠程連通性的實驗平臺可以支持該方案，包括離子陷阱、具有長傳輸線諧振器的電路QED系統、具有超導腔的模塊化體系結構，以及硅光子器件。或者，你可以想象使用具有可移動量子比特的平臺。人們可以將這樣的平臺想象爲流體量子計算機，在這種平臺上，量子比特可以通過經典運動自由流動。

研究對如何在一類特殊拓撲量子碼中實現其瞬時辮子提供了明確的說明，將這一結果擴展到更一般的設置，甚至研究了它如何應用於雙曲空間中的拓撲碼，在這種情況下，添加新量子比特只需要向網絡添加固定數量的物理量子比特。研究人員還沒有弄清楚新編織技術將如何與檢測和糾正錯誤的額外目標相配合，這仍然是未來研究一個懸而未決的問題。

博科園｜研究/來自：馬里蘭大學聯合量子研究所

參考期刊《物理評論快報》《物理評論B》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.050502

DOI: 10.1103/PhysRevB.102.075105

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