尽管它们在解决新问题方面有着巨大的希望，但今天的量子计算机本质上很容易出错。周围环境中的一个小扰动 - 例如温度，压力或磁场的变化 - 可以破坏他们脆弱的计算构建块，称为量子比特。

现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME)的研究人员开发了一种新方法，可以持续监测量子系统周围的噪声，并实时调整量子比特，以尽量减少误差。

在《科学》杂志上描述的这种方法依赖于旁观者量子比特：嵌入计算机中的一组量子比特，其唯一目的是测量外部噪声而不是存储数据。然后，这些旁观者量子比特收集的信息可用于抵消重要数据处理量子比特中的噪声。

领导这项研究的助理教授Hannes Bernien将新系统比作降噪耳机，它持续监测周围的噪音并发出相反的频率以消除它们。

“通过这种方法，我们可以非常有力地提高数据量子比特的质量，”Bernien说。“我认为这在量子计算和量子模拟的背景下非常重要。

艰巨的挑战

随着现有量子计算机的规模扩大，噪声和误差的挑战也越来越大。问题是双重的：量子比特很容易响应其环境而变化，这可能会改变存储在其中的信息并导致高错误率。此外，如果科学家测量一个量子比特，试图测量它所暴露的噪声，量子比特状态就会崩溃，丢失其数据。

“试图纠正量子系统内的错误是一项非常艰巨和艰巨的任务，”伯尼恩说。

理论物理学家此前曾提出一种使用旁观者量子比特的解决方案，旁观者量子比特是一组量子比特，不存储任何必要的数据，但可以嵌入量子计算机中。观众量子比特将跟踪环境的变化，就像降噪耳机中包含的麦克风一样。当然，麦克风只检测声波，而提议的旁观者量子比特将响应任何能够改变量子比特的环境扰动。

两种用于消除噪声的量子比特

Bernien的小组着手证明，这一理论概念可以用来抵消中性原子量子阵列中的噪声 - 他们首选的量子计算机。

在中性原子量子处理器中，使用称为光镊的激光束将原子悬浮在原位，Bernien 帮助开发了这种激光束，为他赢得了突破奖基金会颁发的 2023 年物理学新视野奖等荣誉。在这些悬浮原子的大型阵列中，每个原子都充当量子比特，能够在其叠加状态下存储和处理信息。

2022年，Bernien及其同事首次报告了制造包含铷和铯原子的混合原子量子处理器的能力。现在，他们已经调整了该处理器，使铷原子充当数据量子比特，而铯原子充当旁观量子比特。该团队设计了一个系统，可以连续读取铷原子的实时数据，并作为回应，用微波振荡调整铯原子。

Bernien说，挑战在于确保系统足够快 - 对铷原子的任何调整都必须几乎是瞬间的。

“真正令人兴奋的是，它不仅最大限度地减少了数据量子比特的任何噪声，而且它是与量子系统实时交互的一个例子，”Bernien说。