突破性进展可能为量子计算机扫除主要障碍

为了让量子计算机在社会中发挥作用，量子研究人员首先需要克服一些重大障碍。到目前为止，由电磁干扰或磁波动等引起的错误和噪声，会导致敏感的量子比特失去其量子态——进而失去继续进行计算的能力。因此，量子计算机在解决问题方面所花费的时间到目前为止是有限的。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方法来控制量子态。如果没有有效的控制系统来操纵它们，量子态就像一辆没有方向盘的汽车，在某种程度上可能是无用的。

然而，该研究领域正面临着一个权衡取舍的问题。允许进行有效错误纠正和更长计算时间的量子系统在控制量子态方面能力不足——反之亦然。但现在，查尔姆斯理工大学的一个研究团队已经找到了解决这一困境的方法。

“我们创建了一个系统，该系统能够以前所未有的速度在多态量子系统上执行极其复杂的操作，”查尔姆斯理工大学202Q-lab的负责人兼该研究的高级作者西蒙·加斯帕里尼蒂表示。

偏离两量子态原理

虽然经典计算机的构建块比特具有1或0的值，但量子计算机最常见的构建块量子比特可以同时具有1和0的值——以任何组合形式。这种现象称为叠加，是量子计算机能够进行并行计算、从而产生巨大计算潜力的关键要素之一。

然而，编码在物理系统中的量子比特对错误极其敏感，这导致该领域的研究人员寻找检测和纠正这些错误的方法。查尔姆斯理工大学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（一种微观组件）来线性地编码信息。该研究中使用的谐振子由绝缘基板上刻制的超导材料薄片组成，形成微波谐振器，这项技术与最先进的超导量子计算机完全兼容。该方法在该领域是已知的，并且偏离了两量子态原理，因为它提供了数量更多的物理量子态，从而使量子计算机在应对错误和噪声方面具备显著优势。

“想象一下，量子比特就像一盏蓝色的灯，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，提供了无缝的颜色渐变。这说明了它能够访问大量状态，提供了比量子比特的两种状态丰富得多的可能性，”查尔姆斯理工大学量子技术研究员兼该研究的主要作者阿克塞尔·埃里克松表示。

解决操作复杂性与容错性之间的权衡问题

尽管基于谐振子的连续变量量子计算能够实现更好的纠错，但其线性特性并不允许执行复杂的操作。人们曾尝试将谐振子与超导量子系统等控制系统相结合，但受到了所谓克尔效应（Kerr-effect）的阻碍。克尔效应反过来会扰乱谐振子提供的许多量子态，从而抵消了预期的效果。

通过在谐振子内部放置一个控制系统装置，查尔姆斯理工大学的研究人员能够绕过克尔效应并解决权衡问题。该系统提出了一种解决方案，在保持谐振子优势（如实现容错性的资源高效路径）的同时，还能够以高速精确控制量子态。该系统在《自然通讯》杂志上发表的一篇文章中得到了描述，并可能为更强大的量子计算机铺平道路。

“我们的领域经常尝试将超导元件与量子谐振子保持距离，以免扰乱脆弱的量子态。在这项工作中，我们挑战了这一范式。通过在谐振子的核心嵌入一个控制装置，我们能够在避免扰乱许多量子态的同时控制和操纵它们。因此，我们展示了一组以极高速度执行的新型门操作，”西蒙·加斯帕里尼蒂（Simone Gasparinetti）说。