哈佛大学的研究人员通过开发能够编码 48 个逻辑量子位并执行数百个逻辑门操作的可编程逻辑量子处理器，在量子计算领域取得了一个重要的里程碑。这一进步被誉为该领域的潜在转折点，是在纠错量子计算机上大规模算法执行的首次演示。
哈佛大学的研究人员通过开发能够编码 48 个逻辑量子位并执行数百个逻辑门操作的可编程逻辑量子处理器，在量子计算领域取得了一个重要的里程碑。这一进步被誉为该领域的潜在转折点，是在纠错量子计算机上大规模算法执行的首次演示。
哈佛大学在量子计算方面的突破在于采用了具有 48 个逻辑量子位的新型逻辑量子处理器，能够在纠错系统上执行大规模算法。由米哈伊尔·卢金 (Mikhail Lukin) 领导的这一进展代表了实用、容错量子计算机的重大进步。
在量子计算中，量子位或“量子位”是一种信息单位，就像经典计算中的二进制位一样。二十多年来，物理学家和工程师向世界展示了量子计算原则上可以通过操纵量子粒子（无论是原子、离子还是光子）来创建物理量子位。
但成功地利用量子力学的奇异性进行计算比简单地积累足够多的物理量子位要复杂得多，这些物理量子位本质上是不稳定的，并且容易从量子态中崩溃。
逻辑量子位：量子计算的构建模块
有用的量子计算领域的真正硬币是所谓的逻辑量子位：冗余的、纠错的物理量子位束，它们可以存储用于量子算法的信息。创建逻辑量子位作为可控单元（如经典位）一直是该领域的一个基本障碍，人们普遍认为，除非量子计算机能够在逻辑量子位上可靠地运行，否则技术无法真正起飞。迄今为止，最好的计算系统已经展示了一两个逻辑量子位，以及它们之间的一种量子门操作（类似于一个代码单元）。
量子专家 Mikhail Lukin（右）领导的团队在量子计算方面取得了突破。多列夫·布卢夫斯坦，博士卢金实验室的学生，是该论文的第一作者。图片来源：Jon Chase/哈佛摄影师
哈佛大学在量子计算方面的突破
由约书亚和贝丝·弗里德曼大学物理学教授、哈佛量子计划联合主任卢金（ Mikhail Lukin） 领导的哈佛大学团队在寻求稳定、可扩展的量子计算方面实现了一个关键里程碑。该团队首次创建了可编程逻辑量子处理器，能够编码多达 48 个逻辑量子位，并执行数百个逻辑门操作。他们的系统是在纠错量子计算机上大规模算法执行的首次演示，预示着早期容错或可靠不间断的量子计算的出现。
这项工作发表在《自然》杂志上，是与乔治·瓦斯默·莱弗里特物理学教授马库斯·格雷纳合作完成的。麻省理工学院的同事；总部位于波士顿的 QuEra Computer 公司是一家基于哈佛实验室技术成立的公司。哈佛大学技术开发办公室最近与 QuEra 签署了一项基于 Lukin 团队开发的创新技术的专利组合许可协议。
卢金将这一成就描述为类似于人工智能领域早期的一个可能的转折点：长期以来理论化的量子纠错和容错的想法正在开始结出硕果。
卢金说：“我认为这是明显即将发生一些非常特别的事情的时刻之一。” “尽管未来仍然存在挑战，但我们预计这一新进展将大大加速大规模、有用的量子计算机的进展。”
这一突破建立在多年对被称为中性原子阵列的量子计算架构的研究基础上，该架构由 Lukin 实验室首创，现已由 QuEra 商业化。该系统的关键组件是一块超冷、悬浮的铷原子，其中原子（系统的物理量子位）可以在计算过程中移动并成对连接或“纠缠”。纠缠的原子对形成门，这是计算能力的单位。此前，该团队在纠缠操作中展示了较低的错误率，证明了中性原子阵列系统的可靠性。
影响和未来方向
美国国家科学基金会数学和物理科学理事会代理助理主任 Denise Caldwell 表示：“这一突破是量子工程和设计的杰作。”该理事会通过 NSF 物理前沿中心和量子飞跃挑战研究所项目支持这项研究。 “该团队不仅利用中性原子加速了量子信息处理的发展，而且为探索大规模逻辑量子比特设备打开了新的大门，这可以为科学和整个社会带来变革性的好处。”
借助逻辑量子处理器，研究人员现在展示了使用激光对整个逻辑量子位块进行并行、多路复用控制。这个结果比必须控制单个物理量子位更有效且可扩展。
论文第一作者、格里芬艺术与科学学院的 Dolev Bluvstein 表示：“我们正试图标志着该领域的转变，开始用纠错量子位而不是物理量子位来测试算法，并为更大的设备铺平道路。”博士卢金实验室的学生。
该团队将继续致力于在 48 个逻辑量子位上展示更多类型的操作，并将其系统配置为连续运行，而不是像现在这样手动循环。
这项工作得到了国防高级研究计划局通过“噪声中级量子设备优化”计划的支持；超冷原子中心，国家科学基金会物理前沿中心；陆军研究和 QuEra 计算办公室。