“貓量子比特”實現容錯量子計算新突破

美國亞馬遜云科技量子計算中心團隊在25日《自然》雜志的一篇論文中，演示了容錯量子計算的新突破：一種對硬件需求更低的量子糾錯系統。這一系統使用了“貓量子比特”（cat qubits），其創新設計能抵抗可能會干擾量子系統輸出的特定類型的噪音和錯誤，同時實現量子比特需要的元器件總數比其他設計更少。

量子計算機很容易出錯，這限制了它們在特定任務上超越經典計算機的潛力。量子糾錯方法是將信息分散到多個量子比特，幫助減少出錯，從而在不干擾計算的情況下發現并糾正錯誤。不過，大部分量子糾錯方法通常依賴大量額外的量子比特來提供足夠的防出錯保護，這可能會在整體上降低效率。

團隊此次利用名為“玻色子貓量子比特”進行量子糾錯，探索了一種更高效的方式。“貓量子比特”來源于薛定諤的貓思想實驗，指的是量子系統可以同時處于兩個宏觀上截然不同的狀態的疊加態。量子信息處理中，其通常指由光子組成的量子態，這些光子的狀態可以是同時包含相位相反的相干態的疊加。

這些“貓量子比特”在硬件水平上對一類錯誤（稱為比特翻轉）有更高的固有抵抗力，其代價為更容易出現另一種錯誤（名為相位翻轉）。這種錯誤偏差能讓團隊設計出只關注處理相位翻轉錯誤的量子糾錯代碼，得到一個對額外量子比特需求更低、整體上更高效的設計。

團隊用一組“貓量子比特”演示了一個超導量子環路裝置，證明了有5個“貓量子比特”的糾錯代碼在每個周期的錯誤率從1.75%抑制到1.65%。此前，用更大糾錯代碼實現錯誤抑制需要幾十個額外量子比特。

結果表明，利用“玻色子貓量子比特”或是實現容錯量子計算的一個有效方式。團隊指出，這種方法具有高效擴展的潛力，但仍需進一步優化將性能提升到有望推動實際量子計算應用的層面。