量子電腦仍然極易受到錯誤和周遭環境的微小干擾影響。量子運算所需時間越長，錯誤累積的機會就越多。瑞典查爾摩斯科技大學的研究人員現已開發出一種方法，能夠以比以往快千倍以上速度執行廣泛的進階量子運算。這項進展解決了該領域的一大障礙，並有望推動量子運算朝向容錯發展。

量子電腦最終可能徹底改變藥物開發、能源科技、密碼學、人工智慧和物流等領域。然而，在此之前，這些機器需要變得更加可靠。

為何量子電腦如此容易出錯

一個主要的挑戰是，量子運算會受到極小的環境效應干擾。電氣雜訊、宇宙射線和過熱都可能在資訊處理過程中引入錯誤。

傳統電腦也會出現錯誤，但數十年的發展已產生可靠的錯誤修正方法，能快速偵測並修復它們。量子系統則更難保護，因為它們使用的資訊極其脆弱。

「量子電腦的基本構件，稱為量子位元，極其敏感，即使最微小的干擾也會導致量子狀態偏離目標，進而造成資訊遺失。如果錯誤在被修正前累積過多，運算就會失敗，」瑞典查爾摩斯科技大學應用量子物理學研究員、理論研究主要作者 Lei Du 表示。該研究發表於《物理評論快報》期刊。

保護量子資訊的另一種方式

為了讓量子運算更具韌性並最終實現容錯，研究人員正在探索保護量子資訊免受錯誤影響的新方法。其中一種有前景的策略是使用所謂的玻色子量子碼。

這種方法不是將量子資訊分配給個別量子位元，而是將其儲存在超導電路內的微波場中。

「玻色子碼不是將量子資訊儲存在個別量子位元中，而是將資訊編碼在超導電路內的微波場中。這種方法已被證明能對某些類型的錯誤提供更強的保護，」查爾摩斯量子科技研究員、該研究的共同作者 Tangyou Huang 解釋道。

量子運算速度提升千倍以上

處理玻色子量子碼並不容易。創建和控制所需的量子狀態傳統上需要引導量子系統經歷數千次重複的驅動週期。

這個過程可能耗費大量時間，而每一個額外的週期都增加了外部干擾干預計算的機會。因此，在量子運算中，速度與可靠性密切相關。

查爾摩斯大學的研究人員 Lei Du 和 Tangyou Huang 現在提出了一種不同的策略。他們的方法不是一次一小塊地建構所需的量子狀態，而是能夠更快地執行各種操作。

「我們的研究表明，對玻色子狀態進行各種量子運算可以在單一驅動週期內完成，而不是像以前需要數千個週期。這使得運算更快、更有效率，同時降低了干擾在過程完成前損壞資訊的風險。這代表了朝向容錯量子電腦邁出的重要一步，」Lei Du 表示。

量子晶格閘提供捷徑

新方法圍繞著量子晶格閘（Quantum lattice gates）建構，這是同一研究團隊最近提出的一組通用量子閘。

這些閘的作用有點像捷徑。它們不需要冗長的重複控制步驟序列，而是能讓預期的量子運算在僅一個驅動週期內完成。這可以使過程更快、更簡單，並降低出錯的風險。

「你可以想像成建造一座大型樂高城堡。與其一塊一塊地組裝並冒著沿途出錯的風險，量子晶格閘就像預製的樂高模組，可以快速有效地連接起來，」Tangyou Huang 說。

專為超導量子電腦設計

這項技術特別適合超導量子電腦，這是國際推動大規模量子運算中最突出的技術之一。

查爾摩斯科技大學在開發一台 100 量子位元的量子電腦時，也正在使用超導技術。

「我們方法的一個關鍵優勢是，它可以使用現有的超導量子電路平台來實現。我們已經與查爾摩斯大學的同事討論了可能的實驗實現，並希望在不久的將來看到該方法的演示，」Tangyou Huang 表示。

研究人員表示，這項工作解決了該領域面臨的一個核心問題：有效率地產生和控制能夠幫助修正錯誤的量子狀態。

「我們的結果解決了該領域的主要瓶頸之一：如何快速可靠地創建和控制可能在未來量子電腦中扮演重要角色的糾錯量子狀態，」Lei Du 表示。

更多關於玻色子碼、量子晶格閘和傅立葉控制

*玻色子量子碼將量子資訊儲存在例如微波或光學諧振器的狀態中，而不是儲存在個別量子位元中。它們被認為是量子錯誤修正的有前景工具，因為它們能對某些類型的錯誤提供內建保護。

需要量子運算來處理儲存的資訊。量子晶格閘是最近提出的一組基本構件，可用於控制玻色子量子狀態。透過組合和設計這些閘，研究人員可以執行各種更複雜的量子運算。

實現這些運算的一種方法稱為傅立葉控制（Floquet control），它使用週期性控制訊號來驅動量子系統。早期的傅立葉技術通常依賴於涉及許多重複驅動週期的較慢過程。查爾摩斯大學開發的方法則可以在單一驅動週期內直接執行量子晶格閘，使某些運算速度提升千倍以上。

科學論文「Single-Period Floquet Control of Bosonic Codes with Quantum Lattice Gates」已發表於《物理評論快報》。作者為 Tangyou Huang、Lei Du 和 Lingzhen Guo。研究人員隸屬於瑞典查爾摩斯科技大學和中國天津大學。

該研究由中國國家自然科學基金會（NSFC）、沃倫堡量子技術中心（WACQT）和 Knut and Alice Wallenberg 基金會資助。