新系统解决量子计算权衡问题

来打开和关闭不同的操作。研究人员利用该系统生成所谓的立方相态，这是用于量子误差校正的量子资源。右侧的蓝色区域是所谓的维格纳负区域——这是该状态量子特性的明显特征。图片来源：查尔姆斯理工大学/蒂莫·希尔曼

目前，量子计算机的潜力受到权衡问题的阻碍。能够执行复杂运算的量子系统对错误和噪声的容忍度较低，而噪声防护能力更强的系统则更难计算且速度更慢。

现在，瑞典查尔姆斯理工大学的一个研究小组创建了一个独特的系统来解决这一难题，从而为更长的计算时间和更强大的量子计算机铺平了道路。

要想让量子计算机在社会中发挥影响，量子研究人员首先需要解决一些重大障碍。到目前为止，电磁干扰或磁波动等引起的误差和噪声会导致敏感的量子位失去量子态，从而失去继续计算的能力。因此，量子计算机处理问题的时间目前有限。

此外，为了让量子计算机能够解决复杂问题，量子研究人员需要找到一种控制量子态的方法。就像没有方向盘的汽车一样，如果没有有效的控制系统来操纵量子态，量子态可能会被认为毫无用处。

然而，研究领域面临着一个权衡问题。量子系统可以实现高效纠错和更长的计算时间，但另一方面，它们控制量子态的能力却不足——反之亦然。但现在，查尔姆斯理工大学的一个研究小组已经设法找到了一种解决这一困境的方法。

查尔姆斯理工大学 202Q 实验室负责人、这项研究的高级作者西蒙尼·加斯帕里内蒂 (Simone Gasparinetti) 表示：“我们创建了一个系统，能够以前所未有的速度对多态量子系统进行极其复杂的操作。”

偏离双量子态原理

虽然传统计算机的构成要素比特的值要么是 1，要么是 0，但量子计算机最常见的构成要素量子比特的值可以同时是 1 和 0，而且是任意组合。这种现象称为叠加，是量子计算机能够同时执行计算的关键因素之一，因此具有巨大的计算潜力。

然而，物理系统中编码的量子比特对错误极其敏感，这促使该领域的研究人员寻找检测和纠正这些错误的方法。查尔姆斯研究人员创建的系统基于所谓的连续变量量子计算，并使用谐振子(一种微观元件)对信息进行线性编码。

研究中使用的振荡器由在绝缘基板上图案化的超导材料薄条组成，形成微波谐振器，该技术与最先进的超导量子计算机完全兼容。

该方法在该领域是先前已知的，并且偏离了双量子态原理，因为它提供了大量物理量子态，从而使量子计算机能够更好地抵抗错误和噪声。

“将量子比特想象成一盏蓝色的灯，从量子力学的角度来看，它可以同时打开和关闭。相比之下，连续变量量子系统就像一道无限的彩虹，提供无缝的颜色渐变。这说明它能够访问大量状态，提供比量子比特的两种状态更丰富的可能性，”查尔姆斯理工大学量子技术研究员、这项研究的主要作者阿克塞尔·埃里克森 (Axel Eriksson) 说。

方法解决了操作复杂性和容错性之间的权衡问题

虽然基于谐振子的连续变量量子计算能够改进误差校正，但其线性特性不允许执行复杂的操作。

人们曾尝试将谐振子与控制系统(如超导量子系统)结合起来，但所谓的克尔效应阻碍了这一尝试。克尔效应反过来又扰乱了谐振子提供的众多量子态，从而抵消了预期的效果。

通过在振荡器内部放置控制系统设备，查尔姆斯大学的研究人员能够规避克尔效应并解决权衡问题。该系统提供了一种解决方案，既保留了谐振子的优势，例如资源高效的容错路径，又能够高速精确控制量子态。

该系统在《自然通讯》杂志发表的一篇文章中进行了描述，可能为更强大的量子计算机铺平道路。

“我们的研究团队经常尝试将超导元素与量子振荡器分开，以免扰乱脆弱的量子态。在这项研究中，我们挑战了这一模式。通过在振荡器的核心处嵌入控制装置，我们能够避免扰乱许多量子态，同时能够控制和操纵它们。

“结果，我们展示了一组以极高速度执行的新型门操作，”加斯帕里内蒂说。