科学家成功破译单个原子内部的量子密码

科学家对这些量子信息的基本构建单元进行编码，以抑制其他量子比特中的错误，从而使少数量子比特能够以产生有用结果的方式运行。

随着有用（或称逻辑）量子比特数量的增长，所需的物理量子比特数量增长得更快。随着规模的扩大，创建一台有用的量子机器所需的庞大数量的量子比特成为了工程上的噩梦。

如今，悉尼大学纳米研究所量子控制实验室的量子科学家们首次展示了一种量子逻辑门，它能大幅减少其运行所需的物理量子比特数量。

为实现这一目标，他们使用了一种被昵称为量子计算“罗塞塔石”的纠错码，在单个原子上构建了一个纠缠逻辑门。该码得此名是因为它将平滑、连续的量子振荡转化为干净、类似数字的离散态，使错误更易识别和修复，更重要的是，它提供了一种高度紧凑的方式来编码逻辑量子比特。

GKP码：量子计算的罗塞塔石

这个名称奇特的戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基尔（Gottesman-Kitaev-Preskill，GKP）码多年来在理论上提供了一种可能性，可显著减少产生一个功能性“逻辑量子比特”所需的物理量子比特数量。尽管这是以用效率换取复杂性为代价，使得这些码非常难以控制。

8月21日发表在《自然·物理学》上的研究证明了这是一个物理现实，该研究利用一个囚禁离子（镱的带电原子）的自然振荡来存储GKP码，并首次实现了它们之间的量子纠缠门。

在悉尼大学纳米研究所悉尼地平线研究员谭廷瑞博士的领导下，科学家们利用他们对囚禁离子谐波运动的精妙控制，克服了GKP量子比特编码的复杂性，成功展示了它们的纠缠态。

“我们的实验首次展示了针对GKP量子比特的通用逻辑门组的实现，”谭博士说。“我们通过精确控制囚禁离子的自然振动（或称谐波振荡）来实现这一点，这种方式使我们能够操纵单个GKP量子比特或将它们作为一对进行纠缠。”

量子逻辑门与软件创新

逻辑门是一个信息开关，它使得计算机——无论是量子的还是经典的——能够被编程以执行逻辑操作。量子逻辑门利用量子比特的纠缠产生一种与经典计算所用完全不同的运行系统，这支撑了量子计算机的巨大前景。

第一作者瓦西里·马索斯是物理学院和悉尼纳米研究所的博士生。他说：“实际上，我们在单个囚禁离子中存储了两个可纠错的逻辑量子比特，并展示了它们之间的纠缠。”

“我们使用了由Q-CTRL（源自量子控制实验室的分拆初创公司）开发的量子控制软件来实现这一点，该软件使用基于物理学的模型来设计量子门，以最小化GKP逻辑量子比特的畸变，使其在处理量子信息时能保持GKP码的精细结构。”

量子技术的里程碑

马索斯先生所做的是使单个原子的两个“量子振动”发生纠缠。被囚禁的原子在三维空间中振动。每个维度的运动都用量子力学描述，每个维度都被视为一个“量子态”。通过将其中两个实现为量子比特的量子态进行纠缠，马索斯先生仅用单个原子就创建了一个逻辑门，这是量子技术的一个里程碑。

这一成果极大地减少了创建这些逻辑门所需的量子硬件，而逻辑门使得量子机器能够被编程。

谭博士说：“长期以来，GKP纠错码一直有望减少硬件需求，以解决扩展量子计算机所需的资源开销挑战。我们的实验实现了一个关键的里程碑，证明这些高质量的量子控制为操纵不止一个逻辑量子比特提供了一个关键工具。”

“通过利用这些量子比特展示通用量子门，我们为以高度硬件高效的方式实现大规模量子信息处理奠定了基础。”

在论文描述的三个实验中，谭博士的团队使用了一个囚禁在所谓保罗阱（Paul trap）中的镱离子。这利用了一套在室温下运作的复杂激光阵列将单个原子囚禁在阱中，使其自然振动受到控制并被用于产生复杂的GKP码。

这项研究有力地证明了量子逻辑门可以在减少物理量子比特数量的情况下开发出来，从而提高其效率。

作者声明无利益冲突。研究资金来自澳大利亚研究理事会、悉尼地平线研究员计划、美国海军研究办公室、美国陆军研究办公室、美国空军科学研究办公室、洛克希德·马丁公司、悉尼量子学院以及H. 和 A. Harley 的私人资助。