耶魯大學的研究人員使用一種稱為量子糾錯的過程，大大延長了量子比特的壽命 - 這是一個長期追捧的目標，也是量子物理學領域棘手的挑戰之一。

在耶魯大學的米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）的帶領下，該實驗在其理論基礎提出幾十年后證明，量子糾錯在實踐中是有效的。量子糾錯是一種過程，旨在使量子信息保持完整一段時間，比將相同的信息存儲在硬件組件中而不進行任何校正的時間更長。

研究結果于21月<>日發表在《自然》雜志上。

經典計算中的信息以對應于 100 或 <> 的位的形式出現。在量子計算中，信息存儲在具有量子特性的特殊設備中，這些設備稱為量子比特或“量子比特”。在Frederick W. Beinecke應用物理學教授Devoret的實驗室中，這些量子位是用超導電路構建的，溫度比外太空低<>倍。每個量子比特可以表示一個 <> 或 <>，或者 - 令人困惑的是 - 同時表示 <> 和 <>。這種“量子并行性”是使量子計算機能夠進行計算的特性之一，這些計算可能比經典超級計算機上快幾個數量級，并改變多個行業。

然而，量子系統是脆弱的。它們受到退相干的基本現象的困擾，在這個過程中，存儲在量子比特中的信息由于與周圍環境的相互作用而迅速失去其量子特性。

理論上在1995年發現的量子糾錯提供了一種對抗這種退相干的方法。采用冗余，它通過將信息的量子比特編碼到一個系統中來保護信息的量子比特，該系統原則上比表示單個量子比特所需的容量更大。

然而，這個更大的系統使周圍環境的影響更具侵入性，編碼的量子比特更加脆弱。由于這種效應，以及執行糾錯所需的附加組件的復雜性，這個過程在實踐中從未能夠明確延長量子比特的壽命。事實上，研究人員說，僅僅用一個未校正的量子比特來收支平衡是罕見的事件。與理論承諾相反，在大多數實驗中，糾錯加速了量子信息的退相干。

“我們次表明，使系統更加冗余并積極檢測和糾正量子錯誤提供了量子信息彈性的收益，”Devoret說。“我們的實驗表明，量子糾錯是一種真正實用的工具。這不僅僅是一個原理驗證演示。

Devoret的小組已經成功地將量子信息的壽命延長了一倍以上。他們的糾錯量子比特存活了1.8毫秒 - 事情在量子領域發生得很快。

他們使用2001年發明的糾錯碼實現了他們的結果。“它讓你感覺到理論建議和我們領域實際實現之間的延遲，”德沃雷特說。

該論文的作者Volodymyr Sivak表示，這種性能部分是通過使用機器學習代理來實現的，該代理調整了糾錯過程以改善結果。

“沒有單一的突破能夠實現這一結果，”Sivak說，他是Devoret實驗室的前博士生，現在是谷歌的研究科學家。“這實際上是過去幾年開發的一大堆不同技術的組合，我們在這次實驗中結合了這些技術。

量子計算的實際成功將取決于能夠使用量子糾錯創建極高質量的量子比特。“我們的實驗驗證了量子計算的基石假設，這讓我對這個領域的未來感到非常興奮，”Sivak說。

該論文的其他作者（均隸屬于或以前隸屬于耶魯大學）是Alec Eickbusch，Baptiste Royer，Shraddha Singh，Ioannis Tsioutsios，Suhas Ganjam，Alessandro Miano，Benjamin Brock，Andy Ding，Luigi Frunzio，Steven Girvin和Robert Schoelkopf。