量子计算机面临的一大挑战在于其量子比特极易受到干扰，尤其是在计算过程中。一项新实验展示了如何在持续修正错误的同时执行量子运算，无需暂停保护来进行计算。研究团队采用了一种名为“格点手术”的技术，在保持控制的前提下，将一个受保护的量子比特分裂成两个纠缠的量子比特。这一突破使量子计算机向实现真正强大性能的规模化迈进了一步。
由于这些变化可能随机发生，即便是单一的错误也可能扰乱计算。防止这种干扰是量子工程师面临的核心问题之一。
利用逻辑量子比特保护信息
为了减少这些错误，研究人员将多个物理量子比特组合成一个逻辑量子比特，并应用持续的纠错方法。这一策略有助于长期维持量子信息，使存储相对稳定。但存储信息只是任务的一部分。要运行量子算法，必须使用量子门来主动操纵量子比特，这些量子门是驱动量子计算的基本操作。
事实证明，在不引入新错误的情况下执行这些操作，远比简单地将量子比特稳定在静止状态要困难得多。
一种边计算边纠错的新方法
由D-PHYS教授Andreas Wallraff领导的一个团队现已展示了一种直接解决此问题的方法。该团队与保罗谢勒研究所(PSI)的研究人员以及由亚琛工业大学和于利希研究中心的Markus Müller教授领导的理论学家合作，展示了如何在纠正错误的同时，在超导逻辑量子比特之间执行量子操作。他们的研究结果近期发表在《自然·物理学》(Nature Physics)上。
这项工作标志着向容错量子计算迈进的重要一步，在这种计算中，计算过程可以持续进行，而不会被持续不断的错误所干扰。
量子纠错为何不同
经典计算机中的纠错依赖于复制信息。可以存储多个相同的比特，稍后进行核对和比较。如果其中一个比特翻转，通过多数投票就能确定正确的值。这种方法在量子系统中行不通。
"对于量子比特来说，情况要复杂得多，" Wallraff课题组的博士后研究员、与博士生Michael Kerschbaum共同担任该研究主要作者的Ilya Besedin博士说。量子信息不能被复制或克隆。相反，它必须分布在纠缠的量子比特上。除此之外，量子系统还会遭受相位翻转错误，这在经典计算中没有对应物，需要有其自身的纠正方法。
使用表面码进行纠错
一种广泛使用的解决方案涉及表面码。在这种方法中，单个量子比特的信息被分散到几个物理数据量子比特上。错误检测依赖于对稳定子(stabilizers)的重复测量，这些稳定子与数据量子比特协同工作，共同构成逻辑量子比特。
这些稳定子通过连接到数据量子比特的额外量子比特进行监测。测量它们可以揭示在两次检查之间是否发生了比特翻转或相位翻转。Z型稳定子检测比特值的变化，而X型稳定子检测相位变化。重要的是，数据量子本身从未被直接测量，这使得它们能够安全地存储经过纠正的量子态。
执行逻辑运算的挑战
当研究人员想要在两个逻辑量子比特之间应用诸如受控非门(controlled-NOT gate)之类的逻辑运算时，过程变得更加复杂。运算本身可能会发生错误，而这些错误也必须得到纠正。
"如果我们能够移动我们的量子比特并将它们任意地相互连接，那么以这种容错方式执行逻辑运算将相对容易，" Kerschbaum说。然而，在超导量子处理器中，量子比特是固定不动的。只有相邻的量子比特可以相互作用，这限制了运算的执行方式。
用晶格手术分割正方形
为了在这些约束条件下工作，研究团队采用了一种称为晶格手术(lattice surgery)的方法。在他们的实验中，研究人员从一个编码在十七个物理量子比特上的逻辑量子比特开始。数据量子比特和稳定子被排列成大致正方形的图案。在几个周期内，每1.66微秒测量一次稳定子，以纠正比特翻转和相位翻转。
在一个关键的时刻，贯穿正方形中心线的三个数据量子比特被测量。这一步有效地将表面码分割成两个独立的部分。同时，对X型稳定子的测量被暂停。
"这个操作的最终结果是，我们得到了两个相互纠缠的逻辑量子比特，" Besedin解释说。在分割过程中，比特翻转错误持续得到纠正。之后，比特翻转纠错在每个半区独立恢复。虽然这个操作本身还不能产生一个受控非门，但它可以与额外的分割和合并步骤相结合来创建一个。
超导量子比特的首创
"可以说，晶格手术操作就是那个基本操作，所有其他操作都可以由此构建，" Besedin说。
他补充道："据我们所知，这是首次在超导量子比特上执行晶格手术，"他补充说，"而且我们还有一段路要走。例如，需要41个物理量子比特才能使一个逻辑量子比特上的分割操作也能稳定地抵抗相位翻转。尽管如此，这次在超导量子比特上展示的晶格手术，标志着向着构建拥有数千个量子比特的有用量子计算机这一雄心勃勃的目标迈出了重要一步。