跳动城乡网量子信息非常脆弱，在实验过程中通常难以保护。保护量子比特免受意外测量对于受控量子操作至关重要，尤其是在量子纠错等协议中对相邻量子比特进行状态破坏测量或重置时。
当前保护原子量子位免受干扰的方法可能会浪费相干时间、额外的量子位，并引入错误。
滑铁卢大学的研究人员成功证明了能够测量被捕获的离子量子比特并将其重置为已知状态，而不会干扰仅几微米远的相邻量子比特——这一距离小于人类头发的宽度，约为 100 微米厚。
此次演示有可能对该领域的未来研究产生重大影响，包括推进量子处理器的发展、提高现有机器中量子模拟等任务的速度和能力、以及实现错误校正。
这项突破是由量子计算研究所 (IQC) 教员兼物理和天文学系教授 Rajibul Islam 领导的团队以及博士后研究员 Sainath Motlakunta 及其研究小组的学生共同实现的。该研究成果发表在《自然通讯》杂志上。
通过精确控制这些操作中使用的激光，他们克服了曾经被认为是不可能完成的挑战：在如此近的距离测量其他量子比特的同时保护量子比特。
自 2019 年以来，Islam 和他的团队一直在量子信息实验室捕获用于量子模拟的离子。这项新演示是该小组 2021 年使用可编程全息技术取得突破的下一步，结合离子阱，证明了操纵和摧毁一个量子比特是可行的。
“我们使用了全息光束整形技术，并将其与我们的离子阱相结合，证明了确实有可能销毁任何特定的量子比特，同时保留那些你不想销毁的量子比特中的量子信息，”Motlakunta 说。
该小组的学生利用量子理论计算了光的控制效果，并证明了误差实际上比研究人员最初认为的要低。“中间电路”测量侧重于破坏性量子比特操纵，即破坏量子比特的状态，用于测量链中量子比特的状态——由于离子的接近性，这是一个具有挑战性的过程。
接下来，激光束被引导来操纵量子比特链中的目标量子比特。研究人员必须确保激光不会影响几微米外的附近离子，这需要极高的精度来最大限度地减少一系列被称为串扰的干扰效应。
“捕获离子量子比特是使用对特定原子跃迁进行调谐的激光束进行测量的，”Islam 说道。“在此过程中，目标离子会向四面八方散射光子。即使对光线有完美的控制，这些散射光子仍有可能干扰附近量子比特的量子态，这限制了我们保护它们的能力。”
这就是该团队的全息技术(用于控制光的最精确的技术之一)发挥作用的地方，它能够精确瞄准和控制激光。
该研究小组在重置相邻的“过程”量子位时，在保存“资产”离子量子位时实现了超过 99.9% 的保真度，在对同一相邻量子位施加检测光束 11 微秒时，保存保真度超过 99.6%，这是另一个研究小组展示的最短测量持续时间。
在不干扰其他量子比特的情况下测量一个量子比特的过程非常脆弱，因此在其他一些可能实现的实验中，他们将其他量子比特移到数百微米之外以保护它们。移动量子比特的过程会增加实验的延迟和噪音。
“这曾经被认为是不可能的，”伊斯兰说。“当我想到这一点时，为什么我不能不移动任何东西就测量一个量子比特呢?我们这个领域几乎所有人都说这是一个坏主意，甚至不要去尝试，因为它太脆弱了。
“这项工作的一部分就是摆脱这种思维定势，即这个过程具有极大的破坏性，因此无法尝试。我们意识到，对于所有实际的错误水平，关键在于你能多好地控制这种光，以及你能在周围的量子比特上抑制多少强度——所有这些测量的瓶颈。”
该团队采用控制光进行中间电路测量和复位的方法可以与其他策略相结合，例如将重要的量子位移出活跃的量子位或将量子信息隐藏在测量激光不影响的状态中，以进一步减少错误。
