量子计算中巧妙利用噪声

世界各地的科学家正在努力清除量子系统中的噪声，这可能会干扰未来强大的量子计算机的功能。尼尔斯玻尔研究所(NBI)的研究人员找到了一种利用噪声处理量子信息的方法。这提高了量子计算单元(量子位)的性能。

由哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所(NBI)的科学家领导的一项国际合作展示了一种替代方法。他们的方法允许使用噪声来处理量子信息。结果，信息的基本量子计算单元“量子比特”的性能提高了700%。

“事实证明，在量子系统中避免噪声是很困难的，因为几乎任何环境变化都会破坏事物。例如，你的系统可能在给定的磁场或电场下运行，如果该场发生轻微的变化，量子效应就会崩溃。

“我们建议采用一种完全不同的方法。我们不是消除噪音，而是使用连续的实时噪音监测，并根据环境的变化调整系统，”博士说。NBI研究员FabrizioBerritta，该研究的主要作者。

由于几个高科技领域的最新发展，新方法的实现成为可能。

“以前，比如20年前，我们可以在实验后将波动可视化，但在实际实验中利用这些信息会太慢。我们使用FPGA[现场可编程门阵列]技术“实时获取测量结果。此外，我们使用机器学习来加速分析，”Berritta解释道。

“整个想法是在实时调整系统的同一个微处理器中进行测量和分析。否则，该方案对于量子计算应用来说速度不够快。”

量子特性增加价值

在当前的计算中，可传输信息的基本单位(称为比特)与电子的电荷相关。它只能有两个值之一：一或零——要么有电子，要么没有。相应的量子计算单元(称为量子位)将能够假设两个以上的值。

每个量子位包含的信息量将随着人们能够控制的量子属性的数量呈指数级增长，也许有一天计算机会比传统计算机更强大。

量子力学的基石之一是基本粒子不仅具有质量和电荷，而且还具有自旋。另一个关键术语是纠缠。这里，两个或多个粒子相互作用，使得单个粒子的量子态不能独立于其他粒子的状态来描述。

新发现背后的协议将砷化镓双量子点中实现的单重态-三重态自旋量子位与FPGA驱动的量子位控制器集成在一起。量子位涉及两个电子，两个电子的状态是纠缠的。

量子位是相当于比特的高级量子计算。该项目的量子位由晶体中捕获的两个电子组成。电子的自旋(这里一个向下自旋，另一个向上自旋)可以通过改变磁场梯度ΔBz来控制。然而，磁噪声和电噪声都会影响该梯度。FPGA(现场可编程门阵列)微处理器连续测量噪声水平并实时调整以适应变化。图片来源：《自然通讯》(2024)。DOI：10.1038/s41467-024-45857-0

跨学科团队的努力

就像其他自旋量子位一样，单重态-三重态量子位很容易受到环境中即使很小的干扰的影响。物理学家使用术语“噪声”，不应将其字面理解为声学噪声。就量子系统而言，电场或磁场波动等干扰可能会破坏感兴趣的量子态。

为了证明环境波动的有益用途，研究人员选择了这个量子位，因为从NBI的一系列早期研究中可以很好地理解它与磁噪声和电噪声的耦合，这些研究由FerdinandKuemmeth教授领导，领导着一个半导体和超导研究小组NBI的量子设备。

这项新研究汇集了来自NBI、普渡大学、挪威科技大学、QDevil公司(哥本哈根)和QuantumMachines(特拉维夫)的研究小组，涉及量子位材料、量子位制造、量子位控制硬件、量子信息论和机器学习。

Kuemmeth表示：“这次合作表明，量子计算机的开发不再是一项可以由单个物理小组推动的活动。如果没有我们的任何一个合作伙伴，这项工作就不可能实现。”

更好的噪声处理方法

研究人员将新协议视为量子计算机发展的里程碑，但也意识到必须实现许多其他里程碑。

“我们的下一步是将我们的协议应用于不同材料和多个量子位的系统，”贝里塔说。“我不能说我们什么时候能看到第一台真正有用的量子计算机。也许十年后。

“无论如何，我们相信已经提出了一种有前途的方法。许多同事专注于消除噪声以开发更好的量子位，例如通过提高用于制造量子位的材料的质量。我们已经证明，在某些情况下，人们可以主动调整一些噪声的条件。除了我们研究中的类型之外，这可能与其他类型的量子位有关。”