作者:惠特尼·克莱文，加州理工学院 在一项新的理论研究中，加州理工学院的物理学家展示了理论上分子如何被用来减少量子计算中的误差
这个策略包括将一个旋转的分子放在“叠加”中，这意味着它将同时存在于多个方向
在此图中，三个不同的分子方向显示在左边；最右边的图表示这些分子状态的叠加
信用:加州理工 未来量子计算机背后的技术正在快速发展，有几种不同的方法正在进行中
量子计算机的许多策略或“蓝图”依赖于原子或类似原子的人造电路
在《物理评论十》杂志的一项新理论研究中，加州理工学院的一组物理学家展示了一种较少研究的方法的好处，这种方法不依赖于原子，而是依赖于分子
“在量子世界中，我们有几个蓝图摆在桌面上，我们同时在改进它们，”第一作者维克多·艾伯特说
理论物理博士后
“自2001年以来，人们一直在考虑使用分子来编码信息，但现在我们正在展示比原子更复杂的分子如何能够减少量子计算中的错误
" 量子计算机的核心是众所周知的量子位
这些比特类似于经典计算机中的比特，但与经典比特不同，它们可以经历一种被称为叠加的奇异现象，在这种现象中，它们同时以两种或多种状态存在
就像著名的薛定谔的猫思想实验描述了一只猫同时是死的和活的一样，粒子可以同时以多种状态存在
叠加现象是量子计算的核心:量子位可以同时呈现多种形式，这意味着它们比经典位具有更强的计算能力
但是叠加态是一种微妙的状态，因为量子位很容易从它们想要的状态崩溃，这导致了计算错误
“在经典计算中，你不得不担心位翻转，其中‘1’位变为‘0’，反之亦然，这会导致错误，”艾伯特说
“这就像抛硬币，很难做到
但是在量子计算中，信息是以脆弱的叠加方式存储的，甚至一阵风的量子当量也会导致错误
" 然而，研究人员说，如果量子计算机平台使用由分子组成的量子位，这些类型的错误比其他量子平台更有可能被防止
这项新研究背后的一个概念来自于近20年前加州理工学院研究人员约翰·普雷斯基尔的工作
费曼理论物理教授兼量子信息和物质研究所所长，以及加州理工学院罗纳德和玛克辛林德理论物理和数学教授阿列克谢·基塔耶夫和他们的同事丹尼尔·戈特斯曼(博士
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97)加拿大安大略省周边研究所
当时，科学家们提出了一个漏洞，为一种叫做海森堡测不准原理的现象提供了一条出路，这种现象是由德国物理学家维尔纳·海森堡在1927年提出的
该原理指出，一个人不可能同时非常精确地知道一个粒子在哪里以及它要去哪里
“有一个笑话，海森堡被一个警察拦住，他说他知道海森堡的速度是每小时90英里，海森堡回答说，‘现在我不知道我在哪里，’”艾伯特说
不确定性原理对量子计算机来说是一个挑战，因为它意味着量子位的量子状态不能被很好地了解，以确定是否发生了错误
然而，戈特斯曼、基塔耶夫和普雷斯基尔发现，虽然粒子的确切位置和动量无法测量，但可以检测到其位置和动量的微小变化
这些变化可能表明发生了错误，从而有可能将系统推回到正确的状态
这种纠错方案，因其发现者而被称为GKP，最近已经在超导电路装置中实施
“错误是可以的，但前提是我们知道它们发生了，”普雷斯基尔说，他是《物理评论十》的合著者，也是能源部资助的名为量子系统加速器的新科学中心的科学协调员
“纠错的关键是最大限度地增加我们对潜在错误的了解
" 在新的论文中，这个概念被应用于旋转分子的叠加
如果分子的取向或角动量有少量的偏移，这些偏移可以同时得到校正
“我们想跟踪量子信息在噪音下的演变，”艾伯特说
“噪音让我们感到有些不安
但是如果我们仔细选择了分子状态的叠加，只要它们足够小，我们就可以测量方向和角动量
然后我们可以把系统踢回来进行补偿
" 该论文的合著者、前加州理工学院博士后学者雅各布·柯维(Jacob Covey)最近加入了伊利诺伊大学的教职员工，他说，最终有可能单独控制分子，用于量子信息系统等
他和他的团队在使用光学激光束或“镊子”来控制单个中性原子(中性原子是量子信息系统的另一个有前途的平台)方面取得了长足的进步
“分子的吸引力在于它们是非常复杂的结构，可以非常密集地堆积，”柯维说
“如果我们能够找出如何在量子计算中利用分子，我们就可以鲁棒地编码信息，提高量子比特的打包效率
" 艾伯特说，他自己、普雷斯基尔和柯维三人组提供了理论和实验专业知识的完美结合，以达到最新的结果
他和普雷斯基尔都是理论家，而柯维是实验主义者
“能有像约翰这样的人帮我建立纠错码理论的框架真是太好了，杰克给了我们实验室正在发生的事情的重要指导
" 普雷斯基尔说，“这是一篇我们三个人都不可能独立完成的论文
量子信息领域真正有趣的是，它鼓励我们跨越这些鸿沟进行互动，而规模较小的加州理工学院是实现这一目标的最佳场所
" 《物理评论十》的研究题目是“分子中量子位的鲁棒编码”
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