清華新聞網(wǎng)3月13日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院孫麓巖教授研究組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄒長(zhǎng)鈴教授研究組、北京量子信息科學(xué)研究院于海峰研究員團(tuán)隊(duì)合作，在超導(dǎo)量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)邏輯量子比特之間量子糾纏的量子糾錯(cuò)保護(hù)。
量子糾錯(cuò)是量子計(jì)算領(lǐng)域的核心問(wèn)題之一。眾所周知，環(huán)境噪聲會(huì)顯著影響量子比特的狀態(tài)，使量子計(jì)算很容易因外部干擾而出現(xiàn)錯(cuò)誤。量子糾錯(cuò)可以保護(hù)量子信息不受錯(cuò)誤影響，為量子計(jì)算的實(shí)用化進(jìn)程帶來(lái)了曙光。量子糾錯(cuò)通過(guò)引入冗余自由度，利用特定的編碼方式構(gòu)造邏輯比特來(lái)保護(hù)信息。一旦檢測(cè)到錯(cuò)誤，就可以使用這些額外的冗余信息來(lái)識(shí)別和修正錯(cuò)誤，而不破壞原始量子信息。
當(dāng)前主要的量子糾錯(cuò)技術(shù)路線(xiàn)是基于二能級(jí)比特的編碼方案，利用大量物理比特編碼一個(gè)邏輯比特。這在實(shí)驗(yàn)上有比較大的挑戰(zhàn)，表現(xiàn)在錯(cuò)誤通道數(shù)目隨著物理比特?cái)?shù)目的增加而增加，同時(shí)需要復(fù)雜的多體相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤的檢測(cè)和糾正。為了克服這些困難，孫麓巖研究組采用了一種基于單個(gè)微波諧振子的物理架構(gòu)，即玻色編碼。這種方案利用諧振子的無(wú)限大希爾伯特空間來(lái)進(jìn)行冗余信息編碼，但是錯(cuò)誤通道的種類(lèi)保持不變，因此大大減少了量子糾錯(cuò)對(duì)硬件的要求，可以率先實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)。
近年來(lái)，孫麓巖研究組一直致力于基于玻色編碼的量子糾錯(cuò)研究。研究組與鄒長(zhǎng)鈴研究組合作，首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了玻色二項(xiàng)式編碼的量子糾錯(cuò)，演示了對(duì)邏輯量子比特的連續(xù)量子糾錯(cuò)，將相干時(shí)間延長(zhǎng)為沒(méi)有量子糾錯(cuò)時(shí)的2.8倍。隨后，為了提高糾錯(cuò)操作的保真度，他們又合作發(fā)展了對(duì)錯(cuò)誤透明的相位門(mén)。在此基礎(chǔ)上，他們又與南方科技大學(xué)俞大鵬/徐源團(tuán)隊(duì)、福州大學(xué)鄭仕標(biāo)研究組、北京量子信息科學(xué)研究院于海峰團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)提高量子比特的相干時(shí)間和優(yōu)化錯(cuò)誤檢測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)了量子糾錯(cuò)突破盈虧平衡點(diǎn)。玻色編碼下一步的關(guān)鍵問(wèn)題是，如何將量子糾錯(cuò)擴(kuò)展到多個(gè)邏輯量子比特并實(shí)現(xiàn)糾纏保護(hù)。
圖1.糾纏邏輯量子比特原理和裝置的示意圖
最近，孫麓巖與合作者在解決這一關(guān)鍵問(wèn)題上取得了突破。他們通過(guò)在空間分離的玻色模式中編碼量子信息（圖1），首次成功實(shí)現(xiàn)了受量子糾錯(cuò)保護(hù)的糾纏邏輯量子比特。不僅展示了量子糾錯(cuò)技術(shù)在保護(hù)量子信息方面的巨大潛力，也為實(shí)現(xiàn)實(shí)用的量子計(jì)算和通信網(wǎng)絡(luò)提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。具體來(lái)說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)在兩個(gè)空間分離的玻色模式中，實(shí)現(xiàn)了二項(xiàng)式編碼的邏輯量子比特，并建立了兩個(gè)邏輯量子比特之間的糾纏。與物理比特之間的糾纏不同，邏輯比特之間的糾纏對(duì)局域噪聲有更強(qiáng)的抵御能力，并且可以通過(guò)局域量子糾錯(cuò)操作進(jìn)行恢復(fù)，而不是直接耗散到環(huán)境中。研究人員通過(guò)連續(xù)量子糾錯(cuò)操作對(duì)糾纏邏輯量子比特進(jìn)行保護(hù)，使糾纏邏輯量子比特的相干時(shí)間相較于未受保護(hù)的狀態(tài)提高了45%（圖2）。更進(jìn)一步，研究人員還首次證明了通過(guò)錯(cuò)誤探測(cè)以及提純，糾纏邏輯量子比特能夠違反貝爾不等式（圖3）。
圖2.基于糾纏邏輯量子比特的量子糾錯(cuò)操作
圖3. 糾纏邏輯量子比特的貝爾不等式驗(yàn)證
相關(guān)研究成果以“通過(guò)量子糾錯(cuò)來(lái)保護(hù)邏輯量子位元之間的糾纏”（Protecting entanglement between logical qubits via quantum error correction）為題，于3月6日發(fā)表于《自然·物理》（Nature Physics）期刊。
該研究工作成功將玻色量子糾錯(cuò)碼擴(kuò)展到多個(gè)邏輯比特，證實(shí)了通過(guò)量子糾錯(cuò)保護(hù)糾纏邏輯量子比特的可行性，這不僅為邁向通用量子計(jì)算，構(gòu)建量子糾錯(cuò)保護(hù)的量子網(wǎng)絡(luò)和分布式量子計(jì)算奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，也為驗(yàn)證物理學(xué)基本原理提供了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
清華大學(xué)交叉信息研究院2021屆博士畢業(yè)生蔡偉州、2022屆博士畢業(yè)生穆相豪和博士后王韋婷為論文共同第一作者，王韋婷、鄒長(zhǎng)鈴和孫麓巖為論文共同通訊作者。其他作者還包括清華大學(xué)交叉信息研究院2021級(jí)博士生周杰、馬雨瑋、潘嘯軒、華子越、劉心宇，實(shí)驗(yàn)員王海艷、研究員宋祎璞，于海峰，以及北京量子信息科學(xué)研究院副研究員薛光明等。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技創(chuàng)新2030、北京市自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助、博士后基金、清華大學(xué)國(guó)強(qiáng)研究院和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41567-024-02446-8
供稿：交叉信息研究院
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
