回收量子位的量子计算机可以限制错误

由基于极冷原子的量子位制成的量子计算机已经以令人印象深刻的速度变得越来越大，这可能很快就会使它们具有强大的计算能力 – 但错误出现的速度限制了它们的用处。现在，研究人员已经找到了如何补充和重用这些量子位，以使他们的计算更加实用和可靠。

所有现有的量子计算机都太容易出错，无法处理既有用的计算 并赋予它们相对于传统计算机的优势，但研究人员在开发可以解决这个问题的纠错方案方面取得了长足的进步。

在一个这样的方案中，量子计算机的构建块（称为量子位）被分为两个关键组：负责操作数据并用于运行计算的量子位，以及其他称为“辅助量子位”的量子位，它们跟踪错误。

创建许多高质量的量子位 无论出于何种目的，这都是一个巨大的技术挑战，所以 Matt Norcia 美国原子计算公司的 Atom 和他的同事设计了一种重复使用或替换辅助量子位的方法，从而减少了所需制造的数量。他们现在已经证明，他们的错误跟踪量子位可以连续回收 41 次。

“任何使用计算都可能是一个非常长的计算，因此您必须进行多轮测量。理想情况下，您希望能够在多轮中重复使用量子位，这样您就不必继续向系统提供更多量子位，”Norcia 说。

他和他的同事使用由电中性镱原子制成的量子位，通过激光和电磁脉冲将其冷却到非常接近绝对零的温度。他们可以使用配置为“光镊子”的激光器来控制每个原子的量子态以及编码信息的量子特性。该团队使用这种技术将他们的量子计算机组织成三个不同的区域。

在第一个区域，128 个光镊引导量子位运行计算，而在第二个区域，80 个光镊持有可用于错误测量的量子位，并替换任何错误的量子位。第三个区域充当存储空间，为刚刚进入有用状态的另外 75 个量子位提供空间。有了最后两个区域，研究人员就可以重置和重复使用辅助量子位，或者将它们换成新的量子位。

诺西亚表示，让这种安排发挥作用很困难，因为来自激光的任何杂散光接触到附近的量子位都会干扰其功能。正因为如此，研究人员必须开发对激光器的精确控制，同时还要找到调整数据量子位状态的方法，以便它们保持“隐藏”或不受某些类型的有害光的干扰，他说。

“Ancilla 的重用对于量子计算的进步至关重要，”Yuval Boger 说 在美国量子计算公司 QuEra 工作。他说，如果没有这种能力，即使是非常适度的计算也需要数百万或数十亿个量子位，这对于任何现有或即将建造的量子计算硬件来说根本不合理。

这个问题已被基于原子的量子位研究界所认识。 “我认为中性原子中的每个人 [quantum computing] 空间理解在整个计算过程中重置和重新加载原子的需要，”诺西亚说。

例如，博格指出，哈佛大学和麻省理工学院的一组研究人员使用类似的方法来保持由 3000 个超冷铷原子制成的量子计算机 运行几个小时。一些量子计算机具有由光控制的离子制成的量子位，例如赫利俄斯机器 最近由 Quantinuum 首次推出，也可以重复使用量子位。