達特茅斯學院和麻省理工學院的一個團隊設計並進行了第一個實驗室測試，成功地檢測並表征了超導量子計算系統中經常遇到的一類複雜的「非高斯」噪聲過程。超導量子比特中非高斯噪聲的表征，是使這些系統更精確的關鍵一步。現在發表在《自然通訊》(Nature Communications)上的這項聯合研究，可能有助於加速量子計算系統的實現。該實驗基於達特茅斯大學早期的理論研究，並於2016年發表在《物理評論快報》上。
達特茅斯大學(Dartmouth)物理學教授洛倫扎·維奧拉說：這是試圖描述比量子領域中通常假設更複雜類型噪聲過程的第一個具體步驟，隨著量子位相干性的不斷提高，檢測非高斯噪聲以建立最精確的量子系統是非常重要。量子計算機與傳統計算機的不同之處在於，它超越了經典物理所青睞的二進位「開-關」順序。量子計算機依賴於量子比特(也稱為量子比特)，量子比特是由原子和亞原子粒子構成。本質上，量子位可以同時放置在「開」和「關」位置的組合中。
它們也可以被「糾纏」，這意味著一個量子位的屬性可以影響遠距離的另一個量子位。超導量子比特系統被認為是建造可伸縮的高性能量子計算機競賽中的主要競爭者之一。但是，像其他量子比特平台一樣，對環境高度敏感，可以受到外部噪聲和內部噪聲的影響。
量子計算系統中的外部噪聲可能來自控制電子或雜散磁場。內部噪聲可能來自其他不受控制的量子系統，例如材料雜質。降低噪聲的能力是量子計算機發展中的一個主要焦點。阻止我們現在擁有大規模量子計算機的一大障礙是噪音問題。
這項研究使我們朝著理解噪音的方向前進，這是向消除噪音邁出的一步，希望有一天會有一台可靠的量子計算機。不想要的噪聲通常用簡單的「高斯」模型來描述，其中噪聲的隨機波動機率分布創建了一個熟悉的鐘形高斯曲線。非高斯噪聲更難描述和檢測，因為它落在這些假設的有效性範圍之外，並且因為可能只有更少的噪聲。無論何時噪聲統計特性是高斯的，可以使用少量信息來表征噪聲-即，僅在兩個不同時間的相關性，或者等效地，就頻域描述而言，即所謂的「噪聲譜」。
由於其對周圍環境的高度敏感性，量子比特可以用作自身噪聲的傳感器。基於這一想法，研究人員在開發識別和減少量子系統中的高斯噪聲的技術方面取得了進展，類似於消除噪聲的耳機的工作原理。雖然不像高斯噪聲那樣常見，但識別和消除非高斯噪聲對於優化設計量子系統來說是一個同樣重要的挑戰。非高斯噪聲通過涉及多個時間點的更複雜相關性模式來區分。因此，為了識別噪聲，需要更多關於噪聲的信息。在這項研究中，研究人員能夠使用三個不同時間的相關性信息來近似非高斯噪聲的特徵，對應於頻域中所謂的「雙譜」。
這是第一次能夠在使用量子比特的實驗室中，對非高斯噪聲進行詳細的頻率分辨表征。這一結果極大地擴展了可用於進行精確噪聲表征的工具箱，從而在量子計算機中製作出更好、更穩定的量子比特。不能感知非高斯噪聲的量子計算機很容易混淆它應該處理的量子信號和系統中不想要的噪聲。雖然麻省理工學院驗證該協議的實驗不會立即使大規模量子計算機具有實際可行性，但它是朝著使其更加精確邁出的重要一步。
博科園｜研究/來自：達特茅斯學院
參考期刊《自然通訊》
DOI: 10.1038/s41467-019-11699-4
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