耶魯大學(xué)的研究人員使用一種稱為量子糾錯(cuò)的過程，大大延長了量子比特的壽命 - 這是一個(gè)長期追捧的目標(biāo)，也是量子物理學(xué)領(lǐng)域棘手的挑戰(zhàn)之一。

在耶魯大學(xué)的米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）的帶領(lǐng)下，該實(shí)驗(yàn)在其理論基礎(chǔ)提出幾十年后證明，量子糾錯(cuò)在實(shí)踐中是有效的。量子糾錯(cuò)是一種過程，旨在使量子信息保持完整一段時(shí)間，比將相同的信息存儲在硬件組件中而不進(jìn)行任何校正的時(shí)間更長。

研究結(jié)果于21月<>日發(fā)表在《自然》雜志上。

經(jīng)典計(jì)算中的信息以對應(yīng)于 100 或 <> 的位的形式出現(xiàn)。在量子計(jì)算中，信息存儲在具有量子特性的特殊設(shè)備中，這些設(shè)備稱為量子比特或“量子比特”。在Frederick W. Beinecke應(yīng)用物理學(xué)教授Devoret的實(shí)驗(yàn)室中，這些量子位是用超導(dǎo)電路構(gòu)建的，溫度比外太空低<>倍。每個(gè)量子比特可以表示一個(gè) <> 或 <>，或者 - 令人困惑的是 - 同時(shí)表示 <> 和 <>。這種“量子并行性”是使量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行計(jì)算的特性之一，這些計(jì)算可能比經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)上快幾個(gè)數(shù)量級，并改變多個(gè)行業(yè)。

然而，量子系統(tǒng)是脆弱的。它們受到退相干的基本現(xiàn)象的困擾，在這個(gè)過程中，存儲在量子比特中的信息由于與周圍環(huán)境的相互作用而迅速失去其量子特性。

理論上在1995年發(fā)現(xiàn)的量子糾錯(cuò)提供了一種對抗這種退相干的方法。采用冗余，它通過將信息的量子比特編碼到一個(gè)系統(tǒng)中來保護(hù)信息的量子比特，該系統(tǒng)原則上比表示單個(gè)量子比特所需的容量更大。

然而，這個(gè)更大的系統(tǒng)使周圍環(huán)境的影響更具侵入性，編碼的量子比特更加脆弱。由于這種效應(yīng)，以及執(zhí)行糾錯(cuò)所需的附加組件的復(fù)雜性，這個(gè)過程在實(shí)踐中從未能夠明確延長量子比特的壽命。事實(shí)上，研究人員說，僅僅用一個(gè)未校正的量子比特來收支平衡是罕見的事件。與理論承諾相反，在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中，糾錯(cuò)加速了量子信息的退相干。

“我們次表明，使系統(tǒng)更加冗余并積極檢測和糾正量子錯(cuò)誤提供了量子信息彈性的收益，”Devoret說。“我們的實(shí)驗(yàn)表明，量子糾錯(cuò)是一種真正實(shí)用的工具。這不僅僅是一個(gè)原理驗(yàn)證演示。

Devoret的小組已經(jīng)成功地將量子信息的壽命延長了一倍以上。他們的糾錯(cuò)量子比特存活了1.8毫秒 - 事情在量子領(lǐng)域發(fā)生得很快。

他們使用2001年發(fā)明的糾錯(cuò)碼實(shí)現(xiàn)了他們的結(jié)果?！八屇愀杏X到理論建議和我們領(lǐng)域?qū)嶋H實(shí)現(xiàn)之間的延遲，”德沃雷特說。

該論文的作者Volodymyr Sivak表示，這種性能部分是通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)代理來實(shí)現(xiàn)的，該代理調(diào)整了糾錯(cuò)過程以改善結(jié)果。

“沒有單一的突破能夠?qū)崿F(xiàn)這一結(jié)果，”Sivak說，他是Devoret實(shí)驗(yàn)室的前博士生，現(xiàn)在是谷歌的研究科學(xué)家。“這實(shí)際上是過去幾年開發(fā)的一大堆不同技術(shù)的組合，我們在這次實(shí)驗(yàn)中結(jié)合了這些技術(shù)。

量子計(jì)算的實(shí)際成功將取決于能夠使用量子糾錯(cuò)創(chuàng)建極高質(zhì)量的量子比特?！拔覀兊膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量子計(jì)算的基石假設(shè)，這讓我對這個(gè)領(lǐng)域的未來感到非常興奮，”Sivak說。

該論文的其他作者（均隸屬于或以前隸屬于耶魯大學(xué)）是Alec Eickbusch，Baptiste Royer，Shraddha Singh，Ioannis Tsioutsios，Suhas Ganjam，Alessandro Miano，Benjamin Brock，Andy Ding，Luigi Frunzio，Steven Girvin和Robert Schoelkopf。