实验室成员：左起依次为Dolev Bluvstein、Harry Levine（视频成员）、Sepehr Ebadi、Mikhail Lukin （图片来源：哈佛大学）
试想一下，一边飞行一边制造飞机会是一种什么体验？看似不可能，而对于哈佛大学的物理学科学家研究团队来说，这种“奇思妙想”可能是最终建造大型量子计算机的关键。
在国际顶级期刊《Nature》（自然）上发表的一篇新论文表明，由哈佛大学领导，以及来自QuEra Computing、麻省理工学院和因斯布鲁克大学等的研究团队开发出一种处理量子信息的新方法：通过平移的方式动态改变系统中原子的布局，并在计算过程中将它们相互连接。
在计算过程中“洗牌”量子比特
这种方法类似于在计算过程中对量子比特进行“洗牌”，在保留其量子相干态的同时极大地扩展了处理能力并支持自我纠错。哈佛大学表示，利用量子力学的奇异性，该方法将解决构建大型机器的重要问题，并有望为材料学、通信技术、金融等领域带来实用化突破。
哈佛大学量子计划联合主任、该研究的高级作者之一、乔治·瓦斯默·莱弗雷特（George Vasmer Leverett）物理学教授Mikhail Lukin说：“建造大型量子计算机之所以困难，是因为会受到噪声影响从而出错。减少这些错误的一种方法是让量子比特质量越来越好，而另一种更系统和更实用的方法则是进行量子纠错。这意味着即使存在一些错误，我们也可以在计算过程中以冗余的方式来纠正。”
在经典计算中，纠错是通过简单地从单个二进制数字或比特中复制信息来完成，由此可以清楚地知道何时何地出现了错误。比如单个0的1比特可以复制3次读到000，而突然读到001时就能够清楚知道哪里错了，以此改正。在量子力学中，一个基本限制是受量子特性影响信息不能被复制，这使得纠错变得困难。
目前，研究人员采取的解决方法是，为原子及其信息创建一种备份系统——量子纠错码：研究人员使用他们的新技术创建了许多这样的校正代码，包括被称之为“toric”的编码（toric code是一个拓扑量子纠错码，是可用于量子纠错的拓扑有序量子物相的典型例子），并将它们传播运用到整个系统中。
领导研究这项工作的Lukin小组物理系研究生Dolev Bluvstein表示：“一个关键思路是，我们希望获取单个量子比特的信息，并将其尽可能非本地传播到多个量子比特中，这样如果这些量子比特中的任何一个发生错误，实际并不会对整个状态产生太大影响。”
操控纠缠实现量子纠错
该方法之所以成为可能，源自爱因斯坦称之为“远距离的幽灵行动”的量子纠缠性。该团队开发出一种新方法，可以让任意量子比特都与任何其他量子比特按需连接，在这种情况下，无论相距多远，两个原子相互连接就能交换信息。
Bluvstein进一步说道：“这种量子纠缠性还可以存储和处理成倍增长的信息量。”
该团队透露，自2017年以来，实验室一直在研制可编程量子模拟器，新工作建立在这些基础上，通过添加新功能，使其能够在不丢失量子态以及在量子比特运行的情况下移动纠缠原子。
根据早前对量子系统的研究，该团队证明了，一旦计算过程开始，原子/量子比特就会卡在其当前位置，并仅与附近的量子比特相互作用，从而限制了它们之间可以进行的量子计算和模拟的方式。
更关键的是研究人员可以在被称之为超精细量子比特中创建和存储信息。这些更强大的量子比特的量子相干时间明显长于系统中的常规量子比特（数秒与数微秒），由此为研究人员们提供了更多将它们与其它量子比特（甚至是遥远的量子比特）实现纠缠所需的时间，从而支持创建纠缠量子比特的复杂状态。整个过程为：
首先，研究人员对量子比特进行初始配对，通过发射一个全局激光脉冲创建一对纠缠的量子门，将这对量子比特的信息存储在超精细量子比特中；其次，利用光镊技术用一束高度聚焦的激光束形成二维阵列，移动这些量子比特可以与系统中的其他量子比特发生纠缠形成新的配对；然后，研究人员可以通过不断重复这些步骤，从而创建出不同种类的量子电路来执行不同算法。其最终所呈现出来的是，系统中的原子都将以“集群”的状态连接起来，并且足以能够在发生错误时完成信息备份。
目前，基于这样的架构，Bluvstein和他的同事已生成了一个可编程的纠错量子计算机，具有24个量子比特，他们计划不断扩大规模。
Lukin教授表示：“短期内，我们基本上可以将这种新方法作为一种‘沙盒’，从而真正地开发用于纠错和探索量子算法的实用方法。‘就获得大规模、有用的量子计算机’而言，我们现在已经爬到了足够高的山坡上，甚至看到了山顶在哪里，并看到了通往山顶的路径。”
这项工作获得了多个部门的支持，包括美国超冷原子中心、美国国家科学基金会、Vannevar Bush学院奖学金、美国能源部量子系统加速器、美国海军研究办公室、美国陆军研究办公室MURI和DARPA ONISQ计划。
原文链接：
https://news.harvard.edu/gazette/story/2022/05/moving-entangled-atoms-in-quantum-processor/
文：Juan Siliezar
编译：李每
编辑：慕一
注：本文编译自“?Harvard”，不代表量子前哨观点。
——end——
欢迎添加小哨子微信，加入量子前哨粉丝群
与大家一起探讨交流量子领域动态↓↓↓~~
