牛津大学的物理学家们创造了一项新的世界纪录，记录了量子比特（qubit）控制的精度。他们实现了量子逻辑运算史上最低的错误率：仅为0.000015%。这意味着670万次运算中只出现一次错误！这比十年前同一团队创下的纪录高出近十倍。
牛津大学团队离子阱芯片效果图。图片来源：Jochen Wolf 博士和 Tom Harty 博士
换个角度来看，今年你被闪电击中的概率（120 万分之一）比牛津大学的量子门出错的概率还要大。
牛津大学物理系克拉伦登实验室，牛津大学的研究人员与实验设备合影。从左到右：Mario Gely 博士、Molly Smith、Aaron Leu。图片来源：Adam Martinez
迈向实用量子计算
该研究结果最近发表在《物理评论快报》上，是朝着拥有强大而实用的量子计算机迈出的重大一步。
“据我们所知，这是迄今为止世界上记录到的最精确的量子比特运算，”该论文的合著者、牛津大学物理系教授戴维·卢卡斯（David Lucas）说道。“这是朝着构建能够解决实际问题的实用量子计算机迈出的重要一步。”
要在量子计算机上执行有用的计算，需要在许多量子比特上运行数百万次运算。这意味着如果错误率过高，最终的计算结果将毫无意义。虽然可以使用纠错来修复错误，但这需要更多的量子比特。通过降低错误率，新方法可以减少所需的量子比特数量，从而降低量子计算机本身的成本和体积。
牛津大学团队的离子阱芯片照片。图片来源：Jochen Wolf 博士和 Tom Harty 博士
更少的量子比特，更小的机器
联合主要作者莫莉·史密斯（牛津大学物理系研究生）表示：“通过大幅降低出错几率，这项研究显著减少了纠错所需的基础设施，为未来量子计算机更小、更快、更高效开辟了道路。对量子比特的精确控制也将对时钟和量子传感器等其他量子技术有所裨益。”
这种前所未有的精度是利用捕获的钙离子作为量子比特（qubit）实现的。由于其寿命长、稳定性高，钙离子成为存储量子信息的自然之选。与使用激光的传统方法不同，牛津团队利用电子（微波）信号控制钙离子的量子态。
这项研究的牛津大学作者们在牛津大学物理系克拉伦登实验室的实验台前合影。从左到右：David Lucas 教授、Molly Smith、Koichiro Miyanishi 博士、Mario Gely 博士、Aaron Leu。图片来源：Molly Smith
微波优于激光
这种方法比激光控制具有更高的稳定性，并且对于构建实用的量子计算机也具有其他优势。例如，电子控制比激光控制更便宜、更稳定，并且更容易集成到离子捕获芯片中。此外，实验在室温下进行，没有磁屏蔽，从而简化了量子计算机运行的技术要求。
此前最佳单量子比特错误率也由牛津团队于2014年创下，为百万分之一。该团队的专业知识促成了其衍生公司Oxford Ionics于2019年成立，该公司已成为高性能离子阱量子比特平台领域的公认领导者。
未来更大的挑战
虽然这一破纪录的成果标志着一个重要的里程碑，但研究团队提醒说，这只是一项更大挑战的一部分。量子计算需要单量子比特门和双量子比特门协同工作。目前，双量子比特门的错误率仍然明显较高——在迄今为止的最佳演示中约为 1/2000——因此，降低这些错误率对于构建完全容错的量子机器至关重要。
编译自/scitechdaily