基于中性镱原子的擦除转换方案 极大地增强了量子计算机的纠错能力

研究配图 1 - 采用擦除转换（erasure conversion）容错中性原子的量子计算机概述

在手机上，工程师们只需通过精细调节来搞定数据收发时的杂波滤除。但利用亚原子粒子的独特量子纠缠行为，也意味着即使想要检查量子计算机中是否存在缺陷，也可能导致整个系统崩溃。

好消息是，汇集了普林斯顿大学电气和计算机工程副教授 Jeff Thompson、耶鲁大学研究合著者 Yue Wu 与 Shruti Puri、以及威斯康星大学麦迪逊分校的 Shimon Kolkowitz 跨学科团队，刚刚提出了一套新方法。

论文宣称他们能够显著提升量子计算机对故障的容忍度，减少隔离和修复错误所需的冗余信息量。通过将可接收的错误率从 1% 提升到 4%，四倍进步意味着该方案也适用于当前正在开发的量子计算机。

Jeff Thompson 表示：“量子计算机面临的基本挑战，就是操作环境不能嘈杂，否者设备就容易陷入无数错误的失效模式”。

研究配图 2 - 门误差模型和模拟性能

对于采用二进制（0 和 1）的传统计算机，错误顶多是两个比特位发生了翻转、或者像两台无线路由器产生了干扰一样混乱。

处理此类故障的常用方法，就是留足冗余的量，以便将每条数据和重复副本进行比较 —— 但是此举也增加了所需准备的数据量，同时也存在着制造更多错误的可能。

正因如此，该方案只能在绝大多数信息可确保正确时才能生效。否则基于错误数据来检查错误数据，只会导致系统陷入更大的混乱。

Thompson 指出 ——“如果基线错误率太高，那冗余就是一个糟糕的策略选择”。为此，该团队并未专注于减少错误的数量、而是让错误更加凸显。

通过深入研究错误的实际物理成因来设计系统，他们得以有效地消除最常见的错误来源、而不是简单地破坏损坏的数据。

这种行为代表了一种被称作“错误擦除”的特殊错误，本质上这种错误比损坏了、但看起来与所有其它数据一样的数据，更容易被纠错机制给清楚掉。

研究配图 3 - 存在擦除错误时的电路级错误阈值

传统计算机中，如果一包所谓的冗余信息出现为 11001 。那么假设稍微更普遍的 1 是正确的、而 0 是错误的，就有可能造成误判的风险。但若信息是 11XX1，出错比特位就更容易被曝光了。

Thompson 表示：“这些擦除错误更容易被纠正，因为你知道它们就在那里。它们可被排除在多数票之外，这就是一个巨大的优势”。

问题在于，尽管在传统计算机上这么做很好理解。但研究人员此前从未想过将它照搬到量子计算机上，以将错误转换为擦除。

让人感到欣喜的是，他们提出的系统方案，能够承受高达 4.1% 的错误率 —— 这完全处于当前量子计算机可适用的范围内。

相比之下，之前的先进系统，最多也只能处理不到 1% 的错误率 —— 意味着擦除转换较竞争方案更抵近量子系统能力的边缘。

研究配图 4 - 低于阈值的逻辑错误缩放

错误擦除机制证明了 Thompson 多年前做出选择的一个意想不到的好处，他在研究中探索了“中性原子量子比特”，其中量子比特信息被存储到了单个原子上。

为此，他们首先挑中了镱（Yb）元素 —— 部分原因是它的最外层只有两个电子，而大多数其它中性原子量子比特只有一个。

Thompson 将之视作一把瑞士军刀，而镱正好是一款更壮实的型号。拥有两个电子所带来的额外复杂性，为系统提供了诸多独特的工具、并且在错误消除上尤为实用。

研究团队提议将镱中的电子从稳定“基态”泵浦到激发的“亚稳态”—— 这种激发态可在适当条件下长期存在，但本质上又是相当脆弱的。

但与直觉相反的是，研究团队却建议利用这一特性，对量子信息进行编码。Thompson 将之比作“让电子走钢丝”，且精心设计的系统会让导致出错的相同因素，将电子也从钢丝绳上抖落下来。

（来自：Nature Communications）

一旦它们回落至稳定的基态，电子就会以一种非常明显的方式散射光。因此将光照射在镱量子比特的集合上，只会导致有缺陷的量子比特被点亮、意味着这部分错误需要被擦除掉。

综上所述，这支跨学科研究团队的密切合作，融入了对量子计算硬件和纠错理论的独到见解。此外设计量子比特以产生可擦除错误的设想，也有望在其它系统的打造过程中扮演关键的角色。

目前 Thompson 团队正致力于在一台结合了数十个量子比特的小型量子计算机上，更进一步地演示如何运用这套错误转换擦除方案。

有关这项研究的全文，还请移步至《自然通讯》期刊去查看，原标题为《Erasure conversion for fault-tolerant quantum computing in alkaline earth Rydberg atom arrays》。