量子電腦透過雙碼錯誤校正變得更聰明

一群物理學家為量子電腦引進了一種創新的錯誤校正方法，讓量子電腦能夠即時切換錯誤校正碼，以便更有效率且更少錯誤地處理複雜運算。

在傳統電腦系統中，電腦也會出錯，但通常可以透過各種技術方法來偵測和校正這些錯誤。然而，量子電腦面臨著一個獨特的挑戰——量子態無法被複製。這一限制意味著不能像傳統電腦那樣，透過比對多個儲存副本來識別錯誤。

為了克服這個問題，量子物理學家從傳統的錯誤校正技術中獲得靈感，開發出了不同的方法。在量子系統中，資訊會分散在幾個糾纏的量子位元（qubit）上，形成冗餘資訊，以幫助偵測和校正錯誤。這個過程由稱為量子錯誤校正碼的特定框架引導。

2022年，由因斯布魯克大學的託馬斯·蒙茨（Thomas Monz）以及亞琛工業大學和於利希研究中心彼得·格林貝格研究所的馬庫斯·米勒（Markus Müller）領導的研究團隊，成功地在容錯量子位元上實現了一套通用的操作。他們的成果展示瞭如何設計量子演演算法，以便在運算過程中有效地校正錯誤。

儘管有了這些進展，但實現量子錯誤校正並非毫無挑戰。量子運算（利用量子力學現象，如疊加和糾纏進行運算）的一個基本定理指出，沒有任何一種單一的校正碼能夠以既保護錯誤又有效率的方式，執行完全可程式化運算所需的所有邏輯閘操作。

為了克服這個難題，馬庫斯·米勒的研究團隊開發了一種方法，讓量子電腦能夠以容錯的方式在兩種校正碼之間切換。馬庫斯·米勒研究團隊的博士生弗裡德里克·布特（Friederike Butt）解釋說，這樣一來，只要第一種校正碼中出現難以實現的邏輯閘，量子電腦就可以切換到第二種校正碼，這讓實現運算所需的所有邏輯閘變得更加容易。

她開發了該實驗所基於的量子電路，並與因斯布魯克的託馬斯·蒙茨研究團隊密切合作將其實現。因斯布魯克研究團隊的博士生伊凡·波戈列洛夫（Ivan Pogorelov）表示：「我們首次成功地在離子阱量子電腦上，使用兩種組合的量子錯誤校正碼實現了一套通用的量子邏輯閘。」

託馬斯·蒙茨從他在因斯布魯克大學攻讀博士學位時就認識這位理論物理學家馬庫斯·米勒，他說：「這個成果基於我們與馬庫斯·米勒團隊多年來的良好合作。」

這項研究的結果發表在著名期刊《自然物理學》（Nature Physics）上。參考文獻：Ivan Pogorelov、Friederike Butt、Lukas Postler、Christian D. Marciniak、Philipp Schindler、Markus Müller和Thomas Monz所著的《實驗性容錯碼切換》，2025年1月24日，《自然物理學》。DOI：10.1038/s41567 - 024 - 02727 - 2。

這項研究獲得了奧地利科學基金會（FWF）、奧地利研究促進署（FFG）、德國研究基金會（DFG）、巴伐利亞州政府、歐盟以及奧地利蒂羅爾工業聯盟等機構的資金支援。