科学家展示GKP量子比特通用逻辑门集

科技日报记者 张佳欣

澳大利亚悉尼大学纳米研究所团队采用量子计算纠错编码——戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基尔码（GKP），首次展示了GKP量子比特的通用逻辑门集，大幅减少了运算所需的物理量子比特数量，为量子硬件高效处理信息奠定了基础。相关成果21日发表于《自然·物理学》杂志。

要建造可用的大规模量子计算机，必须克服量子比特在运算中自发产生的错误。科学家通常通过“逻辑量子比特”来抑制错误，但这需要更多的物理量子比特作为代价。随着规模扩大，硬件需求呈指数级增长，成为一个工程难题。

GKP码能将连续、平滑的量子振荡“翻译”为干净的离散状态，使错误更易识别和修正，从而以更紧凑的方式编码逻辑量子比特。多年来，GKP码一直停留在理论层面，因过于复杂而难以操控。新研究首次把这一理论变成现实。

在3组实验中，团队利用保罗阱和室温激光阵列来囚禁并操控单个镱离子（即带电原子），并用其自然振荡来存储GKP码，首次实现了逻辑量子比特之间的纠缠逻辑门。

逻辑门是一种信息开关，使得无论是经典计算机还是量子计算机，都能被编程执行逻辑运算。量子逻辑门利用量子比特之间的纠缠来运行，是量子计算机具有巨大潜力的根基。此次成果得益于新开发的量子控制软件，软件基于物理模型设计逻辑门，尽可能减少对GKP码的扰动，从而在处理信息时保持其精细结构。

GKP纠错码长期以来被认为能缓解量子计算机资源开销紧张状况。研究结果证明了这一设想在物理上可行。该成果也意味着，未来量子计算机在硬件规模和运行效率之间有望找到新的平衡点，加速其从实验室走向实用化。