稱為退相干的環境因素導致量子比特的隨機旋轉。例如，中心量子位在中間圖中旋轉，表示量子誤差。QEC方案的任務是檢測並糾正這些錯誤，以便量子位可以返回到其原始狀態。圖片來源：桑卡博拉，OIST
量子計算機在我們的大數據世界中有著巨大的希望。如果研究人員能夠利用他們的潛力，這些設備就可以以閃電般的速度執行極其複雜的計算。
傳統的計算機（如我們的筆記本電腦）以位為單位存儲信息，這些位以兩種物理狀態之一存在：0或1。但是量子比特是量子計算機數據存儲的等效形式，它的工作方式不同，因為它們的本質是概率性的，而不是確定性的。它們可以同時以0和1的形式存在，這就是賦予它們力量的原因。隨著存儲在量子計算機中的量子比特數量的增加，該計算機處理信息的速度比經典計算機快得多。
但有一個缺點。量子比特是脆弱的。它們的狀態變化非常快，例如響應溫度等環境因素，引入了很多誤差。研究人員一直在努力開發一種有效的方法來實時糾正這些錯誤。糾正此類量子誤差的方法稱為量子糾錯（QEC）方案。
「對於量子計算來說，這些錯誤確實是一個問題，」沖繩科學技術研究所（OIST）的Jason Twamley教授領導的量子機器部門的博士後研究員Sangkha Borah博士說。「如果我們能弄清楚如何準確地執行QEC，我們可能很快就會擁有可用的量子計算機。
現在，Borah博士和他在OIST的同事，以及他們在愛爾蘭都柏林三一學院和澳大利亞布里斯班昆士蘭大學的合作者，提出了一種新的糾錯技術，該技術最近發表在《物理評論研究》上。
此示意圖顯示了 MBE-CQEC 方案如何適用於三個量子位。量子計算機中的量子比特（左）由估計器（右）連續測量，估計器由經典計算機運行。估計器通過進行綜合徵測量來檢測錯誤，然後通過適當的反饋糾正它們。圖片來源：桑卡博拉，OIST
實現QEC涉及使用稱為糾纏的量子力學特性製作多個量子位的集合。為了檢測量子位中發生的錯誤，QEC方案必須應用一系列稱為綜合徵測量的測量。這些測量評估兩個最近的鄰居量子位是否在同一方向上對齊。這些測量的結果稱為綜合徵，基於它們，可以檢測到量子位中的誤差並隨後進行校正。
常用的QEC方案通常速度較慢，並且由於無法實時捕獲和糾正的錯誤，它們還會導致存儲在量子位中的信息快速丟失。此外，這種QEC方法採用稱為投射測量的傳統量子測量方法來獲得綜合徵。這種方法需要幾個額外的量子位，使其占用大量資源。
相反，Borah博士和他的同事們使用了一種稱為連續測量的方法。這種測量可以比傳統的投射測量更快地以高度資源化的方式進行。他們開發了一種QEC方案，稱為基於測量的估計器方案，用於連續量子糾錯（MBE-CQEC），可以快速有效地檢測和糾正部分噪聲綜合徵測量的誤差。他們建立了一個功能強大的經典計算機，作為外部控制器（或估計器），估計量子系統中的錯誤，完美地過濾掉噪聲，並應用反饋來糾正它們。
Borah博士解釋說，新的QEC方案基於一個理論模型，該模型仍然需要在量子計算機上進行實驗驗證。此外，它還有一個重要的限制：隨著系統中量子比特數量的增加，估計器的實時仿真速度呈指數級增長。
「我們正在為此努力，我們希望該領域的其他人也能解決這個問題，」Borah博士總結道。
更多信息：Sangkha Borah等，基於測量的連續量子糾錯估計器方案，物理評論研究（2022）。DOI： 10.1103/物理研究.4.033207