基於中性鐿原子的擦除轉換方案 極大地增強了量子計算機的糾錯能力

在 2022 年 8 月 9 日發表於《自然通訊》期刊上的一篇文章中,由普林斯頓大學的電氣與計算機工程副教授 Jeff Thompson 帶領的一支研究團隊,詳細介紹了一種可讓量子計算機更有效糾錯的新方法。據悉,儘管量子計算機具有化解傳統計算機難以搞定的複雜問題的巨大潛力,但要求極高的敏感運行條件,也成為了影響量子計算機普及的一大阻礙。

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研究配圖 1 – 採用擦除轉換(erasure conversion)容錯中性原子的量子計算機概述

在手機上,工程師們只需通過精細調節來搞定數據收發時的雜波濾除。但利用亞原子粒子的獨特量子糾纏行為,也意味着即使想要檢查量子計算機中是否存在缺陷,也可能導致整個系統崩潰。

好消息是,彙集了普林斯頓大學電氣和計算機工程副教授 Jeff Thompson、耶魯大學研究合著者 Yue Wu 與 Shruti Puri、以及威斯康星大學麥迪遜分校的 Shimon Kolkowitz 跨學科團隊,剛剛提出了一套新方法。

論文宣稱他們能夠顯著提升量子計算機對故障的容忍度,減少隔離和修復錯誤所需的冗餘信息量。通過將可接收的錯誤率從 1% 提升到 4%,四倍進步意味着該方案也適用於當前正在開發的量子計算機。

Jeff Thompson 表示:“量子計算機面臨的基本挑戰,就是操作環境不能嘈雜,否者設備就容易陷入無數錯誤的失效模式”。

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研究配圖 2 – 門誤差模型和模擬性能

對於採用二進制(0 和 1)的傳統計算機,錯誤頂多是兩個比特位發生了翻轉、或者像兩台無線路由器產生了干擾一樣混亂。

處理此類故障的常用方法,就是留足冗餘的量,以便將每條數據和重複副本進行比較 —— 但是此舉也增加了所需準備的數據量,同時也存在着製造更多錯誤的可能。

正因如此,該方案只能在絕大多數信息可確保正確時才能生效。否則基於錯誤數據來檢查錯誤數據,只會導致系統陷入更大的混亂。

Thompson 指出 ——“如果基線錯誤率太高,那冗餘就是一個糟糕的策略選擇”。為此,該團隊並未專註於減少錯誤的數量、而是讓錯誤更加凸顯。

通過深入研究錯誤的實際物理成因來設計系統,他們得以有效地消除最常見的錯誤來源、而不是簡單地破壞損壞的數據。

這種行為代表了一種被稱作“錯誤擦除”的特殊錯誤,本質上這種錯誤比損壞了、但看起來與所有其它數據一樣的數據,更容易被糾錯機制給清楚掉。

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研究配圖 3 – 存在擦除錯誤時的電路級錯誤閾值

傳統計算機中,如果一包所謂的冗餘信息出現為 11001 。那麼假設稍微更普遍的 1 是正確的、而 0 是錯誤的,就有可能造成誤判的風險。但若信息是 11XX1,出錯比特位就更容易被曝光了。

Thompson 表示:“這些擦除錯誤更容易被糾正,因為你知道它們就在那裡。它們可被排除在多數票之外,這就是一個巨大的優勢”。

問題在於,儘管在傳統計算機上這麼做很好理解。但研究人員此前從未想過將它照搬到量子計算機上,以將錯誤轉換為擦除。

讓人感到欣喜的是,他們提出的系統方案,能夠承受高達 4.1% 的錯誤率 —— 這完全處於當前量子計算機可適用的範圍內。

相比之下,之前的先進系統,最多也只能處理不到 1% 的錯誤率 —— 意味着擦除轉換較競爭方案更抵近量子系統能力的邊緣。

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研究配圖 4 – 低於閾值的邏輯錯誤縮放

錯誤擦除機制證明了 Thompson 多年前做出選擇的一個意想不到的好處,他在研究中探索了“中性原子量子比特”,其中量子比特信息被存儲到了單個原子上。

為此,他們首先挑中了鐿(Yb)元素 —— 部分原因是它的最外層只有兩個電子,而大多數其它中性原子量子比特只有一個。

Thompson 將之視作一把瑞士軍刀,而鐿正好是一款更壯實的型號。擁有兩個電子所帶來的額外複雜性,為系統提供了諸多獨特的工具、並且在錯誤消除上尤為實用。

研究團隊提議將鐿中的電子從穩定“基態”泵浦到激發的“亞穩態”—— 這種激發態可在適當條件下長期存在,但本質上又是相當脆弱的。

但與直覺相反的是,研究團隊卻建議利用這一特性,對量子信息進行編碼。Thompson 將之比作“讓電子走鋼絲”,且精心設計的系統會讓導致出錯的相同因素,將電子也從鋼絲繩上抖落下來。

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(來自:Nature Communications)

一旦它們回落至穩定的基態,電子就會以一種非常明顯的方式散射光。因此將光照射在鐿量子比特的集合上,只會導致有缺陷的量子比特被點亮、意味着這部分錯誤需要被擦除掉。

綜上所述,這支跨學科研究團隊的密切合作,融入了對量子計算硬件和糾錯理論的獨到見解。此外設計量子比特以產生可擦除錯誤的設想,也有望在其它系統的打造過程中扮演關鍵的角色。

目前 Thompson 團隊正致力於在一台結合了數十個量子比特的小型量子計算機上,更進一步地演示如何運用這套錯誤轉換擦除方案。

有關這項研究的全文,還請移步至《自然通訊》期刊去查看,原標題為《Erasure conversion for fault-tolerant quantum computing in alkaline earth Rydberg atom arrays》。