将量子比特的寿命加倍 研究人员证明了量子物理学的关键理论

耶鲁大学的研究人员首次使用一种称为量子纠错的过程，大大延长了量子比特的寿命 - 这是一个长期追求的目标，也是量子物理学领域最棘手的挑战之一。

在耶鲁大学的迈克尔·德沃雷特(Michael Devoret)的带领下，该实验在其理论基础提出几十年后证明，量子纠错在实践中是有效的。量子纠错是一种过程，旨在使量子信息保持完整一段时间，比将相同的信息存储在硬件组件中而不进行任何校正的时间更长。

研究结果于22月<>日发表在《自然》杂志上。

经典计算中的信息以对应于 100 或 <> 的位的形式出现。在量子计算中，信息存储在具有量子特性的特殊设备中，这些设备称为量子比特或“量子比特”。在Frederick W. Beinecke应用物理学教授Devoret的实验室中，这些量子位是用超导电路构建的，温度比外太空低<>倍。每个量子比特可以表示一个 <> 或 <>，或者令人困惑的是，同时表示 <> 和 <>。这种“量子并行性”是使量子计算机能够进行计算的特性之一，这些计算可能比经典超级计算机上快几个数量级，并改变多个行业。

然而，量子系统是脆弱的。它们受到退相干的基本现象的困扰，在这个过程中，存储在量子比特中的信息由于与周围环境的相互作用而迅速失去其量子特性。

理论上在1995年发现的量子纠错提供了一种对抗这种退相干的方法。采用冗余，它通过将信息的量子比特编码到一个系统中来保护信息的量子比特，该系统原则上比表示单个量子比特所需的容量更大。

然而，这个更大的系统使周围环境的影响更具侵入性，编码的量子比特更加脆弱。由于这种效应，以及执行纠错所需的附加组件的复杂性，这个过程在实践中从未能够明确延长量子比特的寿命。事实上，研究人员说，仅仅用一个未校正的量子比特来收支平衡是罕见的事件。与理论承诺相反，在大多数实验中，纠错加速了量子信息的退相干。

“我们第一次表明，使系统更加冗余并积极检测和纠正量子错误提供了量子信息弹性的收益，”Devoret说。“我们的实验表明，量子纠错是一种真正实用的工具。这不仅仅是一个原理验证演示。

Devoret的小组已经成功地将量子信息的寿命延长了一倍以上。他们的纠错量子比特存活了1.8毫秒 - 事情在量子领域发生得很快。

他们使用2001年发明的纠错码实现了他们的结果。“它让你感觉到理论建议和我们领域实际实现之间的延迟，”德沃雷特说。

该论文的第一作者Volodymyr Sivak表示，这种性能部分是通过使用机器学习代理来实现的，该代理调整了纠错过程以改善结果。

“没有单一的突破能够实现这一结果，”Sivak说，他是Devoret实验室的前博士生，现在是谷歌的研究科学家。“这实际上是过去几年开发的一大堆不同技术的组合，我们在这次实验中结合了这些技术。

量子计算的实际成功将取决于能够使用量子纠错创建极高质量的量子比特。“我们的实验验证了量子计算的基石假设，这让我对这个领域的未来感到非常兴奋，”Sivak说。

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