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量子计算机的内部工作原理

能源部桑迪亚国家实验室开发的精确诊断技术正在成为检测和描述量子计算硬件内部问题的黄金标准。

今天发表在科学杂志《自然》上的两篇论文描述了独立的研究团队——其中一个包括桑迪亚研究人员——如何使用一种称为门集断层扫描的桑迪亚技术来开发和验证高度可靠的量子处理器。自 2012 年以来,Sandia 一直在开发门集断层扫描,其资金来自美国能源部科学办公室的高级科学计算研究计划。

桑迪亚科学家与悉尼新南威尔士大学的澳大利亚研究人员合作,由 Andrea Morello 教授领导,发表了今天的一篇论文。他们一起使用 GST 证明了一个复杂的三量子位系统,包括硅芯片中的两个原子核和一个电子,可以以 99% 以上的准确度可靠地操作。

在今天发表的另一篇《自然》文章中,由荷兰代尔夫特理工大学的 Lieven Vandersypen 教授领导的一个小组使用了使用 Sandia 软件实现的门集断层扫描,展示了 99% 以上准确度的重要里程碑,但采用了不同的方法,控制电子被困在量子点而不是孤立的原子核中。

桑迪亚科学家 Robin Blume-Kohout 说:“我们希望世界各地的研究人员知道他们可以使用强大的尖端工具来帮助他们取得突破。”

具有更多量子位或量子位的未来量子处理器可以使从事国家安全、科学和工业工作的用户能够比使用传统计算机更快地执行某些任务。但是当前系统控制中的缺陷会导致计算错误。量子计算机可以纠正一些错误,但它必须纠正的错误越多,制造的计算机就越大,成本也越高。

因此,科学家们需要诊断工具来计算他们控制存储量子比特的单个原子和电子的精确度,并学习如何防止错误而不是纠正错误。这提高了他们系统的可靠性,同时降低了成本。

门集断层扫描是桑迪亚用于测量量子比特和量子逻辑运算(也称为“门”)性能的旗舰技术。它结合了多种测量的结果,生成了一份详细的报告,描述了量子比特中发生的每个错误。像莫雷洛这样的实验科学家可以使用诊断结果来推断他们需要修复什么。

“由 Robin Blume-Kohout 领导的桑迪亚国家实验室量子性能实验室已经开发出最准确的方法来识别量子计算机中发生的错误的性质,”莫雷洛说。

门组断层扫描甚至检测到意外错误

Sandia 团队维护一个免费的开源 GST 软件,称为 pyGSTi(发音为“pigsty”,代表 Python Gate Set Tomography Implementation)。今天在 Nature 上发表的两个研究小组都在使用它。

虽然代尔夫特团队在没有桑迪亚团队帮助的情况下使用了 pyGSTi 软件,但新南威尔士大学与桑迪亚的合作使用了桑迪亚研究人员开发的一种新的定制形式的门集断层扫描。新技术使团队能够排除更多潜在的错误模式,并专注于一些主要的错误机制。

但是当桑迪亚团队研究对新南威尔士大学实验数据的 GST 分析时,他们发现了莫雷洛团队没有预料到的一种令人惊讶的错误。核自旋量子比特在它们本应被隔离时正在相互作用。由于担心这个错误可能表明量子比特存在缺陷,该团队求助于桑迪亚的 Andrew Baczewski,他是硅量子比特物理学专家和国家量子信息科学研究中心量子系统加速器的研究员,以帮助找到其来源。

“它占据了我很多空闲时间,”巴切夫斯基说。“我会在星期六早上出去散步,突然间,我会发生一些事情,我会跑回家做一个小时的数学。”

最终,Baczewski 和团队的其他成员将错误跟踪到了将微波泄漏到系统中的信号发生器。既然已知原因,这可以在以后的实验中轻松解决。

Blume-Kohout 说:“看到确认 GST 甚至检测到了没有人预料到的错误,真是令人满足。”

“与桑迪亚国家实验室的合作对于实现硅中高保真量子操作的里程碑至关重要,”莫雷洛说。“桑迪亚开发的理论和计算方法使量子计算的精确演示具有超过 99% 的保真度,并为残差的微观原因提供了宝贵的见解。我们计划在未来几年扩大这种战略合作。”

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