科學家展示GKP量子比特通用邏輯門集

科技日報記者 張佳欣

澳大利亞悉尼大學納米研究所團隊採用量子計算糾錯編碼——戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基爾碼（GKP），首次展示了GKP量子比特的通用邏輯門集，大幅減少了運算所需的物理量子比特數量，為量子硬件高效處理信息奠定了基礎。相關成果21日發表於《自然·物理學》雜誌。

要建造可用的大規模量子計算機，必須克服量子比特在運算中自發產生的錯誤。科學家通常通過“邏輯量子比特”來抑制錯誤，但這需要更多的物理量子比特作為代價。隨着規模擴大，硬件需求呈指數級增長，成為一個工程難題。

GKP碼能將連續、平滑的量子振盪“翻譯”為乾淨的離散狀態，使錯誤更易識別和修正，從而以更緊湊的方式編碼邏輯量子比特。多年來，GKP碼一直停留在理論層面，因過於複雜而難以操控。新研究首次把這一理論變成現實。

在3組實驗中，團隊利用保羅阱和室温激光陣列來囚禁並操控單個鐿離子（即帶電原子），並用其自然振盪來存儲GKP碼，首次實現了邏輯量子比特之間的糾纏邏輯門。

邏輯門是一種信息開關，使得無論是經典計算機還是量子計算機，都能被編程執行邏輯運算。量子邏輯門利用量子比特之間的糾纏來運行，是量子計算機具有巨大潛力的根基。此次成果得益於新開發的量子控制軟件，軟件基於物理模型設計邏輯門，儘可能減少對GKP碼的擾動，從而在處理信息時保持其精細結構。

GKP糾錯碼長期以來被認為能緩解量子計算機資源開銷緊張狀況。研究結果證明了這一設想在物理上可行。該成果也意味着，未來量子計算機在硬件規模和運行效率之間有望找到新的平衡點，加速其從實驗室走向實用化。