回收量子位的量子計算機可以限制錯誤

由量子比特製成的量子計算機基於極冷的原子，其尺寸以驚人的速度增長，這很快將使它們具有強大的計算能力，但錯誤的出現速度會限制它們的實用性。現在，研究人員正在研究如何補充和重複使用這些量子位，以使他們的計算更加實用和可靠。

所有現有的量子計算機也都太容易出錯，無法解決有用的計算，這使它們比傳統計算機具有優勢，但研究人員在開發可以解決這一問題的糾錯方案方面取得了巨大進步。

在這樣的方案中，量子計算機的構建塊（稱為量子位）分為兩個關鍵組：用於操縱數據並用於執行計算的量子位，以及其他稱為“輔助量子位”的跟踪錯誤的量子位。

為任何目的創建許多高質量的量子位都是一項重大的技術挑戰，因此 馬特·諾西亞 在 AtomComputing，這家美國公司和他的同事設計了一種方法來重複使用或替換 Ancilla 量子位，從而減少需要製造的數量。他們現在已經證明，他們的錯誤跟踪量子位可以連續回收 41 次。

“任何使用的計算都是一個非常長的計算，因此你需要進行多輪測量。理想情況下，你希望能夠在多輪中重複使用量子位，這樣你就不必不斷向系統輸入更多量子位，”諾西亞說。

他和他的同事使用由電中性鐿原子製成的量子位，通過激光和電磁脈衝將其冷卻到非常接近絕對零的溫度。通過配置為“光鑷子”的激光器，它們可以控制為每個原子編碼信息的量子態和量子特性。該團隊使用這種技術將他們的量子計算機組織成三個獨立的區域。

在第一個區域中，128 個光鑷子引導量子位執行計算，而在第二個區域中，80 個光鑷子包含量子位，用於誤差測量並替換任何有缺陷的量子位。第三個區域用作存儲，包含另外 75 個量子位的空間，這些量子位保持在新的可用狀態。有了最後兩個區域，研究人員可以重置和重複使用 Ancilla 量子位或將其交換為新的量子位。

諾西亞表示，這種安排很難發揮作用，因為激光擊中附近量子位的任何雜散光都會破壞其性能。他說，正因為如此，研究人員必須開發對激光器的精確控制，同時還要找到調整數據量子位狀態的方法，以便它們“隱藏”或不受某些類型的有害光的干擾。

“Ancilla 的重用對於量子計算的進步至關重要，”他說 尤瓦爾·博格 在美國量子計算公司 QuEra 工作。他說，如果沒有這種能力，即使是最適度的計算也將需要數百萬或數十億個量子位，這對於現有或即將建造的量子計算硬件來說是不可接受的。

這個問題已被整個基於原子的量子位研究界所認識。 “我認為中性原子（量子計算）空間中的每個人都明白在整個計算過程中重置和重新加載原子的必要性，”諾西亞說。

例如，博格指出，哈佛大學和麻省理工學院的一組研究人員使用了類似的方法來構建量子計算機。 3000 個超冷銣原子 許多小時正在運行。一些具有由光控制的離子製成的量子位的量子計算機，例如Quantum最近推出的Helios機器，也可以重複使用量子位。