實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著開發(fā)更精確的量子位系統(tǒng)的重要一步

達(dá)特茅斯學(xué)院和麻省理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并進(jìn)行了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，以成功檢測(cè)和表征超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的一類復(fù)雜的“非高斯”噪聲過程。

超導(dǎo)量子比特中非高斯噪聲的表征是使這些系統(tǒng)更加精確的關(guān)鍵一步。

這項(xiàng)發(fā)表在《自然通訊》上的聯(lián)合研究可以幫助加速量子計(jì)算系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)基于在達(dá)特茅斯進(jìn)行的早期理論研究，并于2016年發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

達(dá)特茅斯物理學(xué)教授洛倫扎·維奧拉(Lorenza Viola)表示：“這是試圖表征比量子域中通常假定的更為復(fù)雜的噪聲過程的第一步，這是邁出的第一步。”工作。“隨著量子位相干特性的不斷提高，檢測(cè)非高斯噪聲對(duì)建立盡可能精確的量子系統(tǒng)非常重要。”

量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的不同之處在于，它超越了經(jīng)典物理學(xué)青睞的二進(jìn)制“開關(guān)”序列。量子計(jì)算機(jī)依賴于由原子和亞原子粒子構(gòu)成的量子位(也稱為量子位)。

本質(zhì)上，可以同時(shí)將qubits置于“ on”和“ off”位置的組合中。它們也可以是“糾纏的”，這意味著一個(gè)量子位的屬性可以在一定距離上影響另一個(gè)量子位。

超導(dǎo)量子位系統(tǒng)被認(rèn)為是構(gòu)建可擴(kuò)展，高性能量子計(jì)算機(jī)的主要競(jìng)爭(zhēng)者之一。但是，與其他qubit平臺(tái)一樣，它們對(duì)環(huán)境高度敏感，并且可能同時(shí)受外部噪聲和內(nèi)部噪聲的影響。

量子計(jì)算系統(tǒng)中的外部噪聲可能來自控制電子設(shè)備或雜散磁場(chǎng)。內(nèi)部噪聲可能來自其他不受控制的量子系統(tǒng)，例如材料雜質(zhì)。減少噪聲的能力是量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的主要重點(diǎn)。

“現(xiàn)在阻止我們擁有大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的最大障礙就是這個(gè)噪聲問題。” 達(dá)特茅斯大學(xué)的博士后研究員利·諾里斯說。“這項(xiàng)研究使我們朝著了解噪聲的方向前進(jìn)，這是消除噪聲的一步，并希望有一天能擁有一臺(tái)可靠的量子計(jì)算機(jī)。”

通常用簡(jiǎn)單的“高斯”模型來描述不需要的噪聲，其中噪聲的隨機(jī)波動(dòng)的概率分布會(huì)創(chuàng)建一個(gè)熟悉的鐘形高斯曲線。非高斯噪聲更難以描述和檢測(cè)，因?yàn)樗隽诉@些假設(shè)的有效性范圍，并且可能會(huì)更少。

每當(dāng)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性為高斯分布時(shí)，就可以使用少量信息來表征噪聲-即，僅在兩個(gè)不同的時(shí)間(或等效地，就頻域描述而言)的相關(guān)性，即所謂的“噪聲頻譜。”

由于量子比特對(duì)周圍環(huán)境的高度敏感性，因此可以用作自身噪聲的傳感器?；谶@一想法，研究人員在開發(fā)用于識(shí)別和減少量子系統(tǒng)中高斯噪聲的技術(shù)方面取得了進(jìn)展，類似于消除噪聲的耳機(jī)的工作原理。

盡管不如高斯噪聲常見，但識(shí)別和消除非高斯噪聲對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)量子系統(tǒng)同樣重要。

非高斯噪聲的特征在于涉及多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的更復(fù)雜的相關(guān)模式。結(jié)果，需要更多有關(guān)噪聲的信息以便對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。

在這項(xiàng)研究中，研究人員能夠使用三個(gè)不同時(shí)間的相關(guān)信息來近似非高斯噪聲的特征，這與頻域中所謂的“雙譜”相對(duì)應(yīng)。

“這是首次在具有qubit的實(shí)驗(yàn)室中完成了對(duì)非高斯噪聲的詳細(xì)的頻率分辨特性描述。這一結(jié)果大大擴(kuò)展了我們可用于進(jìn)行精確噪聲特性描述的工具箱，因此可以更好地進(jìn)行制作量子計(jì)算機(jī)中更穩(wěn)定的量子位。” Viola說。

無法感知非高斯噪聲的量子計(jì)算機(jī)很容易在應(yīng)該處理的量子信號(hào)與系統(tǒng)中的有害噪聲之間混淆。在2016年進(jìn)行的達(dá)特茅斯研究之前，沒有實(shí)現(xiàn)非高斯噪聲光譜的協(xié)議。

麻省理工學(xué)院驗(yàn)證協(xié)議的實(shí)驗(yàn)不會(huì)立即使大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)切實(shí)可行，但這是朝著使它們更加精確的方向邁出的重要一步。

達(dá)特茅斯大學(xué)前博士后費(fèi)利克斯·博杜安(Felix Beaudoin)說：“這項(xiàng)研究始于白板。我們不知道是否有人能夠?qū)⑵涓吨T實(shí)踐，但是盡管在概念和實(shí)驗(yàn)上存在重大挑戰(zhàn)，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)還是做到了。” Viola小組的學(xué)生，在研究的理論與實(shí)驗(yàn)之間架起了橋梁。

麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授威廉·奧利弗說：“與洛倫扎·維奧拉和她在達(dá)特茅斯的出色理論團(tuán)隊(duì)合作非常高興。“多年來，我們一直在幾個(gè)項(xiàng)目上進(jìn)行合作，隨著量子計(jì)算從科學(xué)的好奇心過渡到技術(shù)的現(xiàn)實(shí)，我預(yù)計(jì)需要更多的跨學(xué)科和跨機(jī)構(gòu)的合作。”

根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的說法，要完善量子系統(tǒng)中噪聲的檢測(cè)和消除，還需要數(shù)年的額外工作。特別是，未來的研究將由單傳感器系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p傳感器系統(tǒng)，從而能夠表征不同量子位之間的噪聲相關(guān)性。