量子信息系統的力量很大程度上來自于產生量子糾纏的可控制的相互作用。構建可擴展的量子信息系統需要在量子處理器內所需的量子比特之間進行可編程的操作。
在最先進的方法中，受到與其固定空間布局相關的連接性的限制，量子比特僅能在本地進行互動。
在一項新的研究中，科學家們展示了一個量子處理器，其中的量子比特以高度并行的方式在兩個空間維度上傳輸。此外，該處理器還具有動態、非局域的連接性。
這種處理量子信息的新方法允許科學家通過在計算中移動和連接原子來動態改變原子的布局。
在計算過程中保持量子狀態的同時洗牌量子比特的能力極大地增強了處理能力。它還允許自我糾正錯誤。
掃清這一障礙標志著朝著構建大型機器邁出了重要一步，這些機器利用了量子力學的奇異特性，并有望在材料科學、通信技術、金融和許多其他領域帶來現實世界的突破。
圖｜創建量子處理器的科學家（來源：techexplorist）
哈佛量子計劃聯合主任、該研究的資深作者之一、George Vasmer Leverett物理學教授Mikhail Lukin說，建造大型量子計算機之所以很難，是因為最終會出現錯誤，減少這些錯誤的一種方法是讓你的量子比特越來越好。不過，另一種更系統且最終實用的方法是做一些稱為量子糾錯的事情。即使你有一些錯誤，你也可以在計算過程中用冗余來糾正這些錯誤。
對于這項工作，科學家們為原子及其信息創建了一個備份系統，稱為量子糾錯碼。他們使用一種新技術來生成這些代碼，包括一個復曲面代碼。
領導這項工作的 Lukin 小組物理系研究生 Dolev Bluvstein 說，關鍵的想法是我們想把一個單一的量子比特的信息，盡可能非局部地分散到許多量子比特上，這樣，如果這些量子比特中的任何一個出現故障，都不會對整個狀態產生太大的影響。
多虧了一種新開發的方法，使得這種方法成為可能，任何量子比特都可以按需連接到任何其他量子比特。這種情況的發生是由于 "遠距離的幽靈作用"。
在這種情況下，兩個原子相互連接并能夠交換信息，無論它們相距多遠。這種現象使量子計算機如此強大。
Bluvstein 說：這種糾纏可以存儲和處理成倍增長的信息量。
關鍵是，研究人員可以在所謂的超精細量子比特中創建和存儲信息。在他們的系統中，這些更強大的量子比特的量子狀態持續時間明顯長于普通的量子比特（幾秒鐘與微秒相比）。這給了他們所需的時間，讓他們與其他量子比特糾纏在一起，甚至是遠離的量子比特，這樣他們就能創造出復雜的糾纏原子狀態。
科學家們首先將量子比特配對，然后從他們的系統中發出一個全局激光脈沖以產生一個量子門，該量子門將這對量子比特糾纏在一起，并將這對量子比特的信息存儲在超精細量子比特中。
然后，他們使用稱為光學鑷子的單獨聚焦激光束的二維陣列將這些量子比特與系統中的其他原子移到新的配對中，從而將這些量子比特糾纏在一起。他們以任何他們想要的順序重復這些過程，以制造可以運行不同算法的不同類型的量子線路。原子最終以簇狀態連接在一起，它們之間的間距足以在發生錯誤時充當彼此的備份。
使用這種架構，科學家們可以生成一個以 24 個量子比特運行的可編程糾錯量子計算機。該系統已成為他們設想量子處理器的基礎。
Lukin說，在不久的將來，我們基本上可以開始使用這種新方法作為一種沙盒，我們將開始開發實用的糾錯方法和探索量子算法。現在在達到大規模、有用的量子計算機方面，我想說我們已經爬上了山，足以看到山頂在哪里，現在實際上可以看到從我們所在的地方到最高山頂的路徑。
該系統由研究團隊構建，其中包括來自 QuEra Computing、麻省理工學院和因斯布魯克大學的合作者。
引用：
[1]https://doi.org/10.1038/s41586-022-04592-6
[2]https://www.techexplorist.com/tag/quantum-information/
[3]https://news.harvard.edu/gazette/story/2022/05/moving-entangled-atoms-in-quantum-processor
