Quantinuum成功传输逻辑量子比特可实现大规模、容错的量子计算机

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远距离即时“传送”信息的能力是使量子计算机具有独特强大功能的现象之一。Quantinuum的研究人员现在已经证明，他们可以通过“逻辑量子比特（https://spectrum.ieee.org/fault-tolerant-quantum-computing-milestone）”实现这一壮举，他们说这是迈向大规模量子计算机的一个重要里程碑。

远程传输依赖于量子力学的另一个特征，即纠缠，它可以将物理系统连接在一起，使它们共享一个量子态。这种连接使得在两个纠缠粒子之间快速传输量子信息成为可能，即使它们彼此相距很远。

然而，在量子计算机中实现这一点具有挑战性。用于编码量子信息的量子位本质上是嘈杂和不可靠的，因此研究人员创建了量子纠错码，将信息传播到许多物理量子位上，以创建更稳定的“逻辑量子位”。这些对错误更具弹性，被视为实现容错量子计算机圣杯的关键。但由于涉及的量子比特数量更多，它们也使量子信息的传送变得更加复杂。

在本月早些时候发表在《科学》杂志上的一篇论文中，来自科罗拉多州布鲁姆菲尔德Quantinuum的一个团队描述了他们如何使用该公司的捕获离子量子计算机可靠地传送逻辑量子比特（https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp6016）。

Quantinuum的首席理论家David Hayes表示，这一突破对于通过加速机器内的信息传输来构建更大的量子计算机至关重要。他说：“这允许你在一瞬间将（量子信息）从计算机的一侧移动到另一侧。”

这项工作的动机是U.S. Intelligence Advance Research Projects Activity (IARPA)在2022年提出的一项挑战，该挑战旨在证明以超过95%的保真度传送逻辑量子位的能力。该团队在Quantinuum的H2处理器上进行了实验，该处理器具有32个被捕获的离子量子位，可以在一个微小的赛道上穿梭。

传送单个量子比特的协议是在1993年开发的（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.70.1895）。首先，两个量子比特纠缠在一起，量子比特A留在同一个位置，量子比特B被传输到另一个位置。另一个编码需要传输的信息的量子比特，量子比特C，然后与量子比特A纠缠。进行测量以比较量子比特A和量子比特C的量子态，这产生了两个比特的经典信息，编码了它们量子态之间的关系。

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然后，这些比特通过传统方式传输到量子比特B。由于量子比特A和B具有相同的量子态，因此这些信息可用于转换量子比特B的量子状态，使其与量子比特C完全相同。因此，量子比特C中的量子信息被传输给量子比特B，而无需直接传输。

然而，Hayes说，当使用逻辑量子位时，协议变得更加复杂，因为它要求你纠缠一组量子位而不是单个量子位。在Quantinuum的硬件上，这变得稍微容易一些，因为沿着公司的赛道物理移动量子位的能力使得任意连接它们成为可能。这使得该团队能够使用所谓的“横向门（transversal gates）”来纠缠他们的逻辑量子比特，每个量子比特由七个物理量子比特组成。

Hayes说：“你几乎可以想象逻辑量子位直接相互作用。量子比特1与另一个量子比特1相互作用，量子比特2与另一量子比特2相互作用，所有七个量子比特都这样做。”

这种简单性使他们能够以97.5%的保真度传送逻辑量子位，大大超过了IARPA设定的目标。然而，并非所有量子计算机都可以使用横向门，因为许多架构都具有固定的量子比特，包括那些依赖于超导量子比特的量子比特。因此，该团队还测试了另一种称为“lattice surgery”的方法，这种方法可以在所有物理量子位之间没有直接相互作用的情况下纠缠逻辑量子位。然而，Hayes说，这种方法更复杂，涉及的操作也更多，所以他们只能达到85.1%的可信度。

Hayes说，能够可靠地传送逻辑量子比特，对于构建更大的俘获离子量子计算机，甚至可能是分布式量子计算系统，都非常有用。虽然移动量子比特的能力是该架构的主要卖点之一，但这是一个相对缓慢的过程，在更大的规模上可能会变得难以操作。Hayes说，一种不需要物理移动量子位的工作隐形传态协议将使量子信息的传输速度与经典计算机一样快，因为只需要传输两位经典信息。他说：“仅仅通过电信号和电线，你就可以非常快速地移动信息，几乎以光速。”

悉尼大学物理学教授Stephen Bartlett说，新结果最令人兴奋的是，他们证明了在纠错量子计算机上进行实际计算是可能的。之前的实验表明，可以使用纠错来“保持量子信息的活力”，但不能操纵这些信息。Bartlett说，使用隐形传态在处理器内移动逻辑量子位表明，它“开始像计算机一样工作，而不仅仅是作为内存”。