薛定谔的猫制造出更好的量子比特

量子计算使用量子力学的原理来编码和阐述数据，这意味着它有朝一日可以解决当前计算机难以处理的计算问题。后者使用代表 0 或 1 的位，而量子计算机使用量子位或量子位——量子信息的基本单位。

量子科学与工程中心主任 Vincenzo Savona 教授说：“随着从药物发现到复杂生物系统和材料的优化和模拟的应用，量子计算有可能重塑科学、工业和社会的广阔领域。”在洛桑联邦理工学院。

与经典位不同，量子位可以同时存在于 0 和 1 状态的“叠加”中。这允许量子计算机同时探索多个解决方案，这可以使它们在某些计算任务中显着更快。然而，量子系统非常脆弱，容易受到与其环境相互作用引起的错误的影响。

Savona 说：“制定策略来保护或阻止量子比特，或者在错误发生后检测和纠正错误，对于实现大规模容错量子计算机的开发至关重要。” 他们与 EPFL 物理学家 Luca Gravina 和 Fabrizio Minganti 一起取得了重大突破，提出了一种“临界薛定谔猫代码”以提高对错误的恢复能力。该研究引入了一种新颖的编码方案，可以彻底改变量子计算机的可靠性。

什么是“临界薛定谔猫代码”?

1935 年，物理学家埃尔温·薛定谔提出了一个思想实验来批判当时对量子力学的普遍理解——哥本哈根诠释。在薛定谔的实验中，一只猫被放在一个密封的盒子里，盒子里装有一瓶毒药和一个放射源。如果放射源的单个原子衰变，盖革计数器会检测到放射性，然后会打碎烧瓶。毒药被释放，杀死了猫。

根据量子力学的哥本哈根观点，如果原子最初处于叠加态，猫也会继承同样的状态，发现自己处于生死叠加态。“这种状态恰好代表了在宏观尺度上实现的量子比特的概念，”萨沃纳说。

近年来，科学家们从薛定谔的猫中汲取灵感，建立了一种称为“薛定谔猫密码”的编码技术。在这里，量子位的 0 和 1 状态被编码到谐振腔中振荡电磁场的两个相反相位，类似于猫的死或活状态。

“过去曾使用两种不同的方法实现薛定谔猫密码，”Savona 解释说。“一个利用腔体中的非谐效应，另一个依赖于精心设计的腔体损耗。在我们的工作中，我们通过在一个中间机制中运作来弥合两者，结合了两个世界的优点。尽管以前认为这种混合机制没有效果，但它可以增强错误抑制能力。” 核心思想是在相变的临界点附近运行，这就是关键猫代码中的“关键”部分所指的。

关键 cat 代码还有一个额外的优势：它对随机频移引起的错误表现出非凡的抵抗力，这通常对涉及多个量子位的操作构成重大挑战。这解决了一个主要问题，并为实现具有多个相互交互的量子比特的设备铺平了道路——这是构建量子计算机的最低要求。

“我们正在驯服量子猫，”萨沃纳说。“通过在混合体系中运行，我们开发了一个超越其前身的系统，这代表了猫量子比特和整个量子计算的重大飞跃。这项研究是构建更好的量子计算机道路上的一个里程碑，展示了 EPFL 在推进量子科学领域和释放量子技术真正潜力方面的奉献精神。

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