10月11日，《自然》杂志同期发表加州理工学院、普林斯顿大学与哈佛大学研究团队的三篇独立工作[1,2,3]，展示了中性里德堡原子系统中高保真度的量子门操作与纠缠态产生。这些研究证明了中性原子阵列可以实现达到0.999级别保真度的双量子比特操作，性能与超导和离子阱等平台相当。这些进展为里德堡中性原子阵列的大规模量子计算奠定了基础。
© Nature 加州理工学院团队的研究论文以《高保真度里德堡量子模拟器中的擦除转换(Erasure conversion in a high-fidelity Rydberg quantum simulator)》为题发表于《自然》杂志
© Nature 普林斯顿大学团队的研究论文以《原子量子比特中的高保真门和线路中擦除转换(High-fidelity gates and mid-circuit erasure conversion in an atomic qubit)》为题发表于《自然》杂志
© Nature 哈佛大学团队的研究论文以《中性原子量子计算机上的高保真平行纠缠门(High-fidelity parallel entangling gates on a neutral-atom quantum computer)》为题发表于《自然》杂志
量子计算机有望达到即使是当今最快的超级计算机也无法达到的速度和效率。然而，这项技术并没有大规模推广和商业化，很大程度上是因为它无法通过复制编码数据来自我纠错，并且检测错误的过程往往会引入更多错误。为此，科学家们必须寻找新的方法。
加州理工学院的研究团队率先展示了一种“量子橡皮擦”，可以精确定位并纠正量子计算系统中的“擦除错误”。研究团队操纵了被限制在光镊中的单个88Sr原子，这些原子被激发到高能的里德堡态，在这种状态下，邻近的原子开始相互作用并产生纠缠。
纠缠是量子计算机超越经典计算机的关键所在。“然而，大自然不喜欢保持这些量子纠缠态，”该研究的第一作者P. Scholl解释说，“最终，错误会发生，并破坏整个量子态…目前还不清楚如何完全防止这些错误的发生，所以现在唯一可行的选择就是发现并纠正它们。”
该研究中新的错误捕捉系统的设计方式是，当被激光照射时，发生错误的原子会发出荧光。这可以告诉研究人员错误在哪里，从而使得错误可以从统计数据中删除，或者由额外的激光脉冲来主动纠正。
虽然在量子器件中，错误通常很难被发现，但研究人员已经证明，在仔细控制下，一些错误可能会导致原子发光。研究人员利用这种能力，使用原子阵列和激光束来执行量子模拟。实验表明，他们可以丢弃发光的错误原子，使量子模拟更有效地运行。Credit: Caltech/Lance Hayashida
最终，研究团队实现了贝尔态的保真度≥0.9971-13+10，在纠正剩余的量子态制备错误后提高到≥0.9985-12+7 ，相当于1000对原子中只有一对未能纠缠在一起。这比之前的结果提高了10倍，是中性原子系统中迄今观察到的最高纠缠率。
加州理工学院团队所使用的在中性原子系统中实施擦除检测的理论方法最早是由普林斯顿大学的Jeff Thompson团队提出，而该团队也报道了这项技术的实验实现。
普林斯顿大学团队将被光镊固定的单个171Yb原子的长寿命亚稳态核自旋作为量子比特，使用了由10个量子比特组成的陈列来表征单量子比特操作与双量子比特操作的错误发生率，分别为0.1%与2%。
该研究的主要成果还在于实现了一种在不破坏量子比特的情况下来表征它们的新方法。该方法使用一组与之前工作不同的能级来存储量子比特，而大部分的门错误会导致量子比特子空间向基态的衰减。研究人员能够在计算过程中监控量子比特，以实时检测错误的发生。这种测量使得有错误的量子比特会发出闪光，而没有错误的量子比特则不受影响。
这一过程将门错误转换为擦除错误。在实验演示中，大约56%的单量子比特错误和33%的双量子比特错误在实验结束前被检测到。至关重要的是，检测错误的行为所导致的错误率增加不到0.001%。研究人员认为，采用基于该新方法的优化协议可以检测到接近98%的错误。
普林斯顿大学团队开发的镱原子量子计算系统的内部。Credit: Frank Wojciechowski
哈佛大学的研究团队所使用的方法与前两个团队则有所不同。该团队使用了一系列基于里德堡阻塞机制的最优控制门方案，这一方案具有对实验缺陷和自发散射的鲁棒性。团队使用了基于重复门应用的方法对保真度进行基准测试，并表征了物理误差来源，最终在多达60个87Rb原子的阵列中，实现了99.5%的双比特纠缠门保真度，超过了表面码的纠错阈值。
研究团队还推广了他们的方法用于设计更多量子比特的纠缠门，并实现了低误差的三量子比特门。该研究相较于超导和离子阱等先进量子计算平台的优势在于其系统规模的可扩展性，高效的量子比特控制，以及动态配置原子布局的能力。
该论文的第一作者S. Evered说：“我们的错误率现在已经足够低了，如果我们把原子组合成逻辑量子比特——信息非局域地存储在组成原子之间——这些逻辑量子比特的错误率甚至可能比单个原子的错误率还要低。”
综合来看，三个团队的成果为里德堡中性原子系统的可扩展纠错线路与量子计算提供了机遇，为整个领域的未来带来了真正令人兴奋的时刻。加州理工学院团队的A. Shaw说：“中性原子是最具有可扩展性的量子计算机类型，但直到现在它们才具有足够高的纠缠保真度。”
论文链接：
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-023-06516-4
[2] https://www.nature.com/articles/s41586-023-06438-1
[3] https://www.nature.com/articles/s41586-023-06481-y
报道链接：
https://phys.org/news/2023-10-erase-quantum-errors.html
https://phys.org/news/2023-10-illuminating-errors-paradigm-quantum.html