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科學家展示GKP量子比特通用邏輯門集

2025-08-25 08:06:18 來源: 科技日報


(資料圖片僅供參考)

澳大利亞悉尼大學納米研究所團隊采用量子計算糾錯編碼——戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基爾碼(GKP),首次展示了GKP量子比特的通用邏輯門集,大幅減少了運算所需的物理量子比特數(shù)量,為量子硬件高效處理信息奠定了基礎。相關成果發(fā)表于新一期《自然·物理學》雜志。

要建造可用的大規(guī)模量子計算機,必須克服量子比特在運算中自發(fā)產(chǎn)生的錯誤。科學家通常通過“邏輯量子比特”來抑制錯誤,但這需要更多的物理量子比特作為代價。隨著規(guī)模擴大,硬件需求呈指數(shù)級增長,成為一個工程難題。

GKP碼能將連續(xù)、平滑的量子振蕩“翻譯”為干凈的離散狀態(tài),使錯誤更易識別和修正,從而以更緊湊的方式編碼邏輯量子比特。多年來,GKP碼一直停留在理論層面,因過于復雜而難以操控。新研究首次把這一理論變成現(xiàn)實。

在3組實驗中,團隊利用保羅陷阱和室溫激光陣列來囚禁并操控單個鐿離子(即帶電原子),并用其自然振蕩來存儲GKP碼,首次實現(xiàn)了邏輯量子比特之間的糾纏邏輯門。

邏輯門是一種信息開關,使得無論是經(jīng)典計算機還是量子計算機,都能被編程執(zhí)行邏輯運算。量子邏輯門利用量子比特之間的糾纏來運行,是量子計算機具有巨大潛力的根基。此次成果得益于新開發(fā)的量子控制軟件,軟件基于物理模型設計邏輯門,盡可能減少對GKP碼的擾動,從而在處理信息時保持其精細結構。

GKP糾錯碼長期以來被認為能緩解量子計算機資源開銷緊張狀況。研究結果證明了這一設想在物理上可行。該成果也意味著,未來量子計算機在硬件規(guī)模和運行效率之間有望找到新的平衡點,加速其從實驗室走向實用化。

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