GKP码难题被攻克：单原子实现量子纠缠逻辑门

要建造一台能正常运行的大规模量子计算机，科学家与工程师必须攻克量子比特（即 qubits）在运行过程中自发产生的误差难题。为抑制其他量子比特出现的误差，科学家会对这些量子信息的基本单元进行编码，如此一来，即便只有少数量子比特能正常运作，也能产生具有实际价值的运算结果。

然而，随着逻辑量子比特数量的增加，所需的物理量子比特数量会呈现出更快的增长趋势。当系统规模不断扩大时，构建一台实用量子计算机所需的物理量子比特数量之庞大，会成为工程师面临的一场 “噩梦”。

如今，悉尼大学纳米研究所量子控制实验室的科学家们首次成功演示了一种新型量子逻辑门，其运行所需的物理量子比特数量大幅减少。

研究团队通过利用一种被戏称为量子计算 “罗塞塔石碑” 的纠错码，在单个原子上构建出了一个纠缠逻辑门。该纠错码之所以得此名号，是因为它能将平滑、连续的量子振荡转化为清晰、类数字的离散状态，从而更易于识别和修正错误，并且为逻辑量子比特提供了一种高度紧凑的编码方式。

攻克GKP码难题

多年来，Gottesman-Kitaev-Preskill Code（简称GKP码）从理论上提供了显著减少产生功能正常的“逻辑量子比特”所需物理量子比特数量的可能性。不过，这种技术需以 “牺牲效率换取复杂性”，其控制难度极高，这也成为了它落地的主要障碍。

在悉尼大学纳米研究所的悉尼地平线研究员Tingrei Tan博士的领导下，研究团队通过对囚禁离子的简谐运动实现高精度控制，成功突破了GKP量子比特编码的复杂性难题，最终完成了GKP量子比特的纠缠演示。

Tan博士表示：“我们的实验首次实现了适用于 GKP 量子比特的通用逻辑门集合。具体而言，我们通过精确调控囚禁离子的自然振动（即简谐振荡），不仅能单独操控单个 GKP 量子比特，还能将两个GKP量子比特配对并实现纠缠。”

借助量子比特的纠缠特性，构建运算体系

逻辑门是一种信息开关，无论是量子计算机还是传统计算机，都可通过逻辑门实现编程，从而执行逻辑运算。量子逻辑门借助量子比特的纠缠特性，构建出一套与传统计算截然不同的运算体系，这一特性也正是量子计算机拥有巨大发展潜力的核心基础。

该研究的第一作者悉尼大学物理学院与悉尼纳米研究所的博士生Vassili Matsos表示：“我们成功在单个囚禁离子中存储了两个可纠错的逻辑量子比特，并演示了它们之间的纠缠过程。”

“为实现这一目标，我们使用了Q-CTRL公司开发的量子控制软件。同时，我们还基于物理模型设计量子门，以此最大限度减少 GKP 逻辑量子比特的失真，确保其在处理量子信息的过程中，仍能保持GKP码精密的结构特性。”

单个原子构建逻辑门

Matsos的工作是让单个原子的两种 “量子振动” 产生了纠缠。被捕获的原子会在三维空间中振动，每个维度的运动都可通过量子力学描述，且每个维度的运动都被视为一种 “量子态”。Matsos将其中两种量子态转化为量子比特，并使它们产生纠缠，最终仅用单个原子就构建出了逻辑门，这是量子技术领域的一座里程碑。

这一成果大幅减少了构建此类逻辑门所需的量子硬件，而逻辑门正是量子计算机可编程能力的基础。

Tan博士表示：“长期以来，GKP 纠错码一直被寄予厚望，有望通过降低硬件需求，解决量子计算机规模化过程中面临的资源开销难题。我们的实验达成了一项关键里程碑，证明这类高质量的量子控制技术不仅能操控单个逻辑量子比特，更是操控多个逻辑量子比特的核心工具。通过利用这些量子比特实现通用量子门，我们已奠定了基础，未来有望以‘硬件高度高效’的方式，推进大规模量子信息处理技术的发展。”

在论文所述的三项实验中，Tan博士的团队均使用了单个镱离子，并将其置于一种名为 “保罗阱”（Paul trap）的装置中。该装置通过一套复杂的室温激光阵列，将单个原子束缚在阱内，从而实现对原子自然振动的控制，并利用这些振动生成复杂的GKP码。

这项研究表明量子逻辑门的发展能够减少所需的物理量子比特数量，从而提高其效率。