這項(xiàng)破紀(jì)錄的突破將推動(dòng)實(shí)用級(jí)量子計(jì)算機(jī)向小型化、高速化發(fā)展。

科學(xué)家創(chuàng)造了量子計(jì)算誤差率的最低紀(jì)錄 —— 這是實(shí)現(xiàn)實(shí)用級(jí)量子計(jì)算機(jī)道路上解決基礎(chǔ)性挑戰(zhàn)的重要一步。
在發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的研究中，團(tuán)隊(duì)展示了0.000015%的量子誤差率，相當(dāng)于每670萬(wàn)次操作僅出現(xiàn)一次錯(cuò)誤。

該成果在計(jì)算精度和速度上均比2014年同一團(tuán)隊(duì)創(chuàng)下的紀(jì)錄（每百萬(wàn)次操作約一次錯(cuò)誤）提升近一個(gè)數(shù)量級(jí)。

量子操作中的高頻誤差（或稱"噪聲"）會(huì)導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)輸出結(jié)果失效。這些噪聲源于控制方法缺陷（本質(zhì)上是計(jì)算機(jī)架構(gòu)與算法問題）和物理定律限制，因此量子糾錯(cuò)成為重點(diǎn)攻關(guān)領(lǐng)域。

雖然退相干（量子態(tài)自然衰減）和泄漏（量子比特態(tài)脫離計(jì)算子空間）等自然法則相關(guān)的誤差無(wú)法超越物理規(guī)律，但該團(tuán)隊(duì)通過將計(jì)算機(jī)架構(gòu)與控制方法產(chǎn)生的噪聲降至近乎為零，實(shí)現(xiàn)了重大突破。

"誤差概率的驟降顯著降低了糾錯(cuò)所需的基礎(chǔ)設(shè)施，為未來(lái)量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)更小體積、更快速度和更高效率鋪平道路，"牛津大學(xué)物理學(xué)研究生、研究共同第一作者莫莉·史密斯表示，"量子比特的精準(zhǔn)控制技術(shù)還將應(yīng)用于量子鐘、量子傳感器等其他量子科技領(lǐng)域。"

破紀(jì)錄的低誤差率如何實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)中采用的量子計(jì)算機(jī)使用定制化平臺(tái)，摒棄了常見的光子量子比特架構(gòu)，改用"囚禁離子"作為量子比特（相當(dāng)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比特）。

該研究在室溫環(huán)境下完成，研究者稱這將大幅簡(jiǎn)化實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的集成難度。

主流量子系統(tǒng)通常采用依賴"量子點(diǎn)"的超導(dǎo)電路，或利用"光鑷"激光固定單光子作為量子比特。而本團(tuán)隊(duì)通過微波束縛鈣-43離子鏈實(shí)現(xiàn)量子操作。

這種方法使離子進(jìn)入超精細(xì)"原子鐘"狀態(tài)。研究表明，該技術(shù)能以高于光子方法的精度創(chuàng)建更多"量子門"（相當(dāng)于計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的量子操作數(shù)量）。

離子進(jìn)入超精細(xì)原子鐘態(tài)后，研究人員通過自動(dòng)化控制程序校準(zhǔn)離子，持續(xù)修正微波控制法引發(fā)的振幅頻率漂移。

團(tuán)隊(duì)開發(fā)出能檢測(cè)并修正微波束縛噪聲的算法，消除噪聲后，系統(tǒng)得以在物理極限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最低誤差率的量子操作。

技術(shù)突破的實(shí)際意義

該技術(shù)使大規(guī)模開發(fā)近乎零誤差的單量子門操作（單量子比特門操作，區(qū)別于多量子比特門）成為可能。

這不僅有望提升量子計(jì)算機(jī)整體效率，更實(shí)現(xiàn)了單量子比特門誤差率的新突破，并厘清了所有已知誤差源 —— 這對(duì)單門操作中的多數(shù)誤差實(shí)現(xiàn)了溯源控制。

這意味著：采用囚禁離子架構(gòu)的量子計(jì)算機(jī)工程師，以及相關(guān)算法開發(fā)者，無(wú)需再為糾錯(cuò)功能額外配置大量量子比特。

研究者指出，新方法通過降低誤差率，減少了量子比特需求總量，同時(shí)降低了量子計(jì)算機(jī)的成本與體積。

尚未解決的挑戰(zhàn)

但該技術(shù)并非萬(wàn)能，許多量子算法需依賴多量子門比特（由單量子門比特協(xié)同或組合而成）以執(zhí)行基礎(chǔ)功能外的復(fù)雜計(jì)算。目前雙量子比特門操作的誤差率仍高達(dá)0.05%（約1/2000）。

盡管本研究向?qū)嵱眉?jí)量子計(jì)算邁出關(guān)鍵一步，但復(fù)雜多量子門比特系統(tǒng)中固有的"噪聲"問題仍有待攻克。

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