量子计算机最终可能会彻底改变药物研发、能源技术、密码学、人工智能和物流等领域。然而，在这一愿景实现之前，这些机器需要变得更加可靠。
为何量子计算机如此容易出错
一个主要的挑战是，量子计算极易受到极其微小的环境效应干扰。电气噪声、宇宙辐射和过热都可能在信息处理过程中引入错误。
传统计算机也会出现错误，但数十年的发展已经产生了可靠的纠错方法，可以快速检测并修复这些错误。量子系统则更难保护，因为它们使用的信息极其脆弱。
“量子计算机的基本构建块被称为量子比特，它们非常敏感，即使是最微小的干扰也会导致量子态偏离目标，从而导致信息丢失。如果在错误被纠正之前积累了太多错误，计算就会失败，”瑞典查尔姆斯理工大学应用量子物理学研究员、发表在《物理评论快报》期刊上的这项理论研究的第一作者 Lei Du 说道。
一种保护量子信息的不同方法
为了使量子计算更具弹性并最终实现容错，研究人员正在探索保护量子信息免受错误影响的新方法。一种有前景的策略是使用所谓的玻色量子码*。
这种方法不是将量子信息分配给单个量子比特，而是将其存储在超导电路内部的微波场中。
“玻色码不是将量子信息存储在单个量子比特中，而是将信息编码在超导电路内的微波场中。这种方法已被证明能针对某些类型的错误提供更强的保护，”查尔姆斯理工大学量子技术研究员、该研究的合著者 Tangyou Huang 解释道。
量子操作速度提升千倍以上
使用玻色量子码并非易事。创建和控制所需的量子态传统上涉及引导量子系统经历数千次重复的驱动周期。
该过程可能需要相当长的时间，而每一个额外的周期都为外部干扰破坏计算创造了更多机会。因此，在量子计算中，速度与可靠性密切相关。
查尔姆斯理工大学的研究人员 Lei Du 和 Tangyou Huang 现在提出了一种不同的策略。他们的方法不是一点一点地构建所需的量子态，而是可以更快地执行多种操作。
“我们的方法表明，对玻色态的各种量子操作可以在单个驱动周期内完成，而不是以前所需的数千个周期。这使得操作更快、更高效，同时降低了干扰在过程完成前破坏信息的风险。这是迈向容错量子计算机的重要一步，”Lei Du 说。
量子晶格门提供捷径
这种新方法围绕量子晶格门展开，这是同一研究团队最近提出的一套通用量子门。
这些门的作用有点像捷径。它们不需要漫长的重复控制步骤序列，而是可以允许预期的量子操作仅在一个驱动周期内完成。这可以使过程更快、更简单，且更不易出错。
“你可以把它想象成搭建一座大型乐高城堡。量子晶格门就像预制的乐高模块，可以快速高效地连接起来，而不是一块砖一块砖地组装，从而避免了过程中出错的风险，”Tangyou Huang 说。
专为超导量子计算机设计
该技术特别适用于超导量子计算机，这是国际推动大规模量子计算发展中最受瞩目的技术之一。
查尔姆斯理工大学在开发 100 量子比特量子计算机时也采用了超导技术。
“我们方法的一个关键优势是，它可以使用现有的超导量子电路平台来实现。我们已经在与查尔姆斯理工大学的同事讨论可能的实验实现，并希望在不远的将来看到该方法的演示，”Tangyou Huang 说。
研究人员表示，这项工作解决了该领域面临的一个核心问题：高效产生和控制能够帮助纠正错误的量子态。
“我们的结果解决了该领域的一个主要瓶颈：如何快速可靠地创建和控制纠错量子态，这些量子态可能在未来的量子计算机中发挥重要作用，”Lei Du 说。
关于玻色码、量子晶格门和弗洛凯控制的更多信息
*玻色量子码将量子信息存储在例如微波或光谐振器的状态中，而不是单个量子比特中。它们被认为是量子纠错的一种有前景的工具，因为它们可以针对某些类型的错误提供内置保护。
处理存储的信息需要量子操作。量子晶格门是最近提出的一组基本构建块，可用于控制玻色量子态。通过组合和设计这些门，研究人员可以执行各种更复杂的量子操作。
实现这些操作的一种方法被称为弗洛凯控制，它使用周期性控制信号来驱动量子系统。早期基于弗洛凯的技术通常依赖于涉及许多重复驱动周期的较慢过程。查尔姆斯理工大学开发的方法改为可以在单个驱动周期内直接执行量子晶格门，使某些操作的速度提高了一千倍以上。
关于研究的更多信息
科学论文《利用量子晶格门对玻色码进行单周期弗洛凯控制》已发表在《物理评论快报》上。作者是 Tangyou Huang、Lei Du 和 Lingzhen Guo。研究人员分别隶属于瑞典查尔姆斯理工大学和中国天津大学。
该研究由国家自然科学基金（NSFC）、瓦伦堡量子技术中心（WACQT）以及克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会资助。