研究配圖 1 - 采用擦除轉換（erasure conversion）容錯中性原子的量子計算機概述

在手機上，工程師們只需通過精細調節來搞定數據收發時的雜波濾除。但利用亞原子粒子的獨特量子糾纏行為，也意味著即使想要檢查量子計算機中是否存在缺陷，也可能導致整個系統崩潰。

好消息是，匯集了普林斯頓大學電氣和計算機工程副教授 Jeff Thompson、耶魯大學研究合著者 Yue Wu 與 Shruti Puri、以及威斯康星大學麥迪遜分校的 Shimon Kolkowitz 跨學科團隊，剛剛提出了一套新方法。

(資料圖片)

論文宣稱他們能夠顯著提升量子計算機對故障的容忍度，減少隔離和修復錯誤所需的冗余信息量。通過將可接收的錯誤率從 1% 提升到 4%，四倍進步意味著該方案也適用于當前正在開發的量子計算機。

Jeff Thompson 表示：“量子計算機面臨的基本挑戰，就是操作環境不能嘈雜，否者設備就容易陷入無數錯誤的失效模式”。

研究配圖 2 - 門誤差模型和模擬性能

對于采用二進制（0 和 1）的傳統計算機，錯誤頂多是兩個比特位發生了翻轉、或者像兩臺無線路由器產生了干擾一樣混亂。

處理此類故障的常用方法，就是留足冗余的量，以便將每條數據和重復副本進行比較 —— 但是此舉也增加了所需準備的數據量，同時也存在著制造更多錯誤的可能。

正因如此，該方案只能在絕大多數信息可確保正確時才能生效。否則基于錯誤數據來檢查錯誤數據，只會導致系統陷入更大的混亂。

Thompson 指出 ——“如果基線錯誤率太高，那冗余就是一個糟糕的策略選擇”。為此，該團隊并未專注于減少錯誤的數量、而是讓錯誤更加凸顯。

通過深入研究錯誤的實際物理成因來設計系統，他們得以有效地消除最常見的錯誤來源、而不是簡單地破壞損壞的數據。

這種行為代表了一種被稱作“錯誤擦除”的特殊錯誤，本質上這種錯誤比損壞了、但看起來與所有其它數據一樣的數據，更容易被糾錯機制給清楚掉。

研究配圖 3 - 存在擦除錯誤時的電路級錯誤閾值

傳統計算機中，如果一包所謂的冗余信息出現為 11001 。那么假設稍微更普遍的 1 是正確的、而 0 是錯誤的，就有可能造成誤判的風險。但若信息是 11XX1，出錯比特位就更容易被曝光了。

Thompson 表示：“這些擦除錯誤更容易被糾正，因為你知道它們就在那里。它們可被排除在多數票之外，這就是一個巨大的優勢”。

問題在于，盡管在傳統計算機上這么做很好理解。但研究人員此前從未想過將它照搬到量子計算機上，以將錯誤轉換為擦除。

讓人感到欣喜的是，他們提出的系統方案，能夠承受高達 4.1% 的錯誤率 —— 這完全處于當前量子計算機可適用的范圍內。

相比之下，之前的先進系統，最多也只能處理不到 1% 的錯誤率 —— 意味著擦除轉換較競爭方案更抵近量子系統能力的邊緣。

研究配圖 4 - 低于閾值的邏輯錯誤縮放

錯誤擦除機制證明了 Thompson 多年前做出選擇的一個意想不到的好處，他在研究中探索了“中性原子量子比特”，其中量子比特信息被存儲到了單個原子上。

為此，他們首先挑中了鐿（Yb）元素 —— 部分原因是它的最外層只有兩個電子，而大多數其它中性原子量子比特只有一個。

Thompson 將之視作一把瑞士軍刀，而鐿正好是一款更壯實的型號。擁有兩個電子所帶來的額外復雜性，為系統提供了諸多獨特的工具、并且在錯誤消除上尤為實用。

研究團隊提議將鐿中的電子從穩定“基態”泵浦到激發的“亞穩態”—— 這種激發態可在適當條件下長期存在，但本質上又是相當脆弱的。

但與直覺相反的是，研究團隊卻建議利用這一特性，對量子信息進行編碼。Thompson 將之比作“讓電子走鋼絲”，且精心設計的系統會讓導致出錯的相同因素，將電子也從鋼絲繩上抖落下來。

（來自：Nature Communications）

一旦它們回落至穩定的基態，電子就會以一種非常明顯的方式散射光。因此將光照射在鐿量子比特的集合上，只會導致有缺陷的量子比特被點亮、意味著這部分錯誤需要被擦除掉。

綜上所述，這支跨學科研究團隊的密切合作，融入了對量子計算硬件和糾錯理論的獨到見解。此外設計量子比特以產生可擦除錯誤的設想，也有望在其它系統的打造過程中扮演關鍵的角色。

目前 Thompson 團隊正致力于在一臺結合了數十個量子比特的小型量子計算機上，更進一步地演示如何運用這套錯誤轉換擦除方案。

有關這項研究的全文，還請移步至《自然通訊》期刊去查看，原標題為《Erasure conversion for fault-tolerant quantum computing in alkaline earth Rydberg atom arrays》。