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科學(xué)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(bào)


(資料圖片僅供參考)

澳大利亞悉尼大學(xué)納米研究所團(tuán)隊(duì)采用量子計(jì)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(yùn)算所需的物理量子比特?cái)?shù)量，為量子硬件高效處理信息奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表于新一期《自然·物理學(xué)》雜志。

要建造可用的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)，必須克服量子比特在運(yùn)算中自發(fā)產(chǎn)生的錯誤?？茖W(xué)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(kuò)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(fù)雜而難以操控。新研究首次把這一理論變成現(xiàn)實(shí)。

在3組實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)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(shí)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(guān)，使得無論是經(jīng)典計(jì)算機(jī)還是量子計(jì)算機(jī)，都能被編程執(zhí)行邏輯運(yùn)算。量子邏輯門利用量子比特之間的糾纏來運(yùn)行，是量子計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)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(xì)結(jié)構(gòu)。

GKP糾錯碼長期以來被認(rèn)為能緩解量子計(jì)算機(jī)資源開銷緊張狀況。研究結(jié)果證明了這一設(shè)想在物理上可行。該成果也意味著，未來量子計(jì)算機(jī)在硬件規(guī)模和運(yùn)行效率之間有望找到新的平衡點(diǎn)，加速其從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没?/p>

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