科学家刚刚破解了隐藏于单原子中的量子密码

科学家们对这些量子信息的基本构建模块进行编码，以抑制其他量子比特中的错误，使得少数量子比特能够以产生有用结果的方式运行。

随着有用（或逻辑）量子比特数量的增加，所需的物理量子比特数量增长更快。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首次展示了一种量子逻辑门，它大大减少了其运行所需的物理量子比特数量。

为此，他们使用了一种昵称为量子计算“罗塞塔石碑”的纠错编码，在单个原子上构建了一个纠缠逻辑门。它获得此名是因为它将平滑、连续的量子振荡转化为清晰、类似数字的离散态，使得错误更容易被发现和修复，并且重要的是，提供了一种高度紧凑的方式来编码逻辑量子比特。

GKP编码：量子计算的罗塞塔石碑

这个名称奇特的Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) 编码多年来在理论上提供了显著减少产生功能性“逻辑量子比特”所需物理量子比特数量的可能性。尽管这是以牺牲效率换取复杂性为代价，使得这些编码非常难以控制。

8月21日发表在《自然·物理学》上的研究将这一理论变为物理现实，利用捕获离子（一个带电的镱原子）的自然振荡来存储GKP编码，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Tingrei Tan博士的领导下，科学家们利用他们对捕获离子谐波运动的精妙控制，克服了GKP量子比特的编码复杂性，成功展示了它们的纠缠态。

“我们的实验首次实现了GKP量子比特的通用逻辑门组，”谭博士说，“我们通过精确控制捕获离子的自然振动或谐波振荡来实现这一点，从而能够操纵单个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，它允许计算机——无论是量子的还是经典的——可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完全不同的操作体系，这正是量子计算机巨大潜力的基础。

第一作者Vassili Matsos是物理学院和悉尼纳米学院的博士研究生。他说：“实际上，我们将两个可纠错的逻辑量子比特存储在一个捕获离子中，并展示了它们之间的纠缠。”

“我们使用Q-CTRL开发的量子控制软件实现了这一点，Q-CTRL是量子控制实验室的衍生初创公司。该软件采用基于物理的模型来设计量子门，以最小化GKP逻辑量子比特的失真，使它们在处理量子信息时仍能保持GKP编码的精细结构。”

量子技术的里程碑

Matsos先生所做的是将单个原子的两个“量子振动”纠缠在一起。被捕获的原子在三维空间振动。每个维度的运动都由量子力学描述，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纠缠起来，Matsos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。

这一结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：“GKP纠错编码长期以来有望降低硬件需求，以解决扩展量子计算机所需的资源开销挑战。我们的实验达到了一个关键里程碑，证明了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关键工具。”

“通过展示使用这些量子比特的通用量子门，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被限制在所谓保罗阱中的一个镱离子。该装置在室温下使用复杂的激光阵列将单个原子束缚在阱中，使其自然振动能够被控制和利用，从而产生复杂的GKP编码。

这项研究代表了一个重要的证明：量子逻辑门可以在减少物理量子比特数量的情况下被开发出来，从而提高其效率。

作者声明无利益冲突。研究获得了澳大利亚研究理事会、悉尼地平线研究员基金、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。