量子信息系统的力量很大程度上来自于产生量子纠缠的可控制的相互作用。构建可扩展的量子信息系统需要在量子处理器内所需的量子比特之间进行可编程的操作。
在最先进的方法中，受到与其固定空间布局相关的连接性的限制，量子比特仅能在本地进行互动。
在一项新的研究中，科学家们展示了一个量子处理器，其中的量子比特以高度并行的方式在两个空间维度上传输。此外，该处理器还具有动态、非局域的连接性。
这种处理量子信息的新方法允许科学家通过在计算中移动和连接原子来动态改变原子的布局。
在计算过程中保持量子状态的同时洗牌量子比特的能力极大地增强了处理能力。它还允许自我纠正错误。
扫清这一障碍标志着朝着构建大型机器迈出了重要一步，这些机器利用了量子力学的奇异特性，并有望在材料科学、通信技术、金融和许多其他领域带来现实世界的突破。
图｜创建量子处理器的科学家（来源：techexplorist）
哈佛量子计划联合主任、该研究的资深作者之一、George Vasmer Leverett物理学教授Mikhail Lukin说，建造大型量子计算机之所以很难，是因为最终会出现错误，减少这些错误的一种方法是让你的量子比特越来越好。不过，另一种更系统且最终实用的方法是做一些称为量子纠错的事情。即使你有一些错误，你也可以在计算过程中用冗余来纠正这些错误。
对于这项工作，科学家们为原子及其信息创建了一个备份系统，称为量子纠错码。他们使用一种新技术来生成这些代码，包括一个复曲面代码。
领导这项工作的 Lukin 小组物理系研究生 Dolev Bluvstein 说，关键的想法是我们想把一个单一的量子比特的信息，尽可能非局部地分散到许多量子比特上，这样，如果这些量子比特中的任何一个出现故障，都不会对整个状态产生太大的影响。
多亏了一种新开发的方法，使得这种方法成为可能，任何量子比特都可以按需连接到任何其他量子比特。这种情况的发生是由于 "远距离的幽灵作用"。
在这种情况下，两个原子相互连接并能够交换信息，无论它们相距多远。这种现象使量子计算机如此强大。
Bluvstein 说：这种纠缠可以存储和处理成倍增长的信息量。
关键是，研究人员可以在所谓的超精细量子比特中创建和存储信息。在他们的系统中，这些更强大的量子比特的量子状态持续时间明显长于普通的量子比特（几秒钟与微秒相比）。这给了他们所需的时间，让他们与其他量子比特纠缠在一起，甚至是远离的量子比特，这样他们就能创造出复杂的纠缠原子状态。
科学家们首先将量子比特配对，然后从他们的系统中发出一个全局激光脉冲以产生一个量子门，该量子门将这对量子比特纠缠在一起，并将这对量子比特的信息存储在超精细量子比特中。
然后，他们使用称为光学镊子的单独聚焦激光束的二维阵列将这些量子比特与系统中的其他原子移到新的配对中，从而将这些量子比特纠缠在一起。他们以任何他们想要的顺序重复这些过程，以制造可以运行不同算法的不同类型的量子线路。原子最终以簇状态连接在一起，它们之间的间距足以在发生错误时充当彼此的备份。
使用这种架构，科学家们可以生成一个以 24 个量子比特运行的可编程纠错量子计算机。该系统已成为他们设想量子处理器的基础。
Lukin说，在不久的将来，我们基本上可以开始使用这种新方法作为一种沙盒，我们将开始开发实用的纠错方法和探索量子算法。现在在达到大规模、有用的量子计算机方面，我想说我们已经爬上了山，足以看到山顶在哪里，现在实际上可以看到从我们所在的地方到最高山顶的路径。
该系统由研究团队构建，其中包括来自 QuEra Computing、麻省理工学院和因斯布鲁克大学的合作者。
引用：
[1]https://doi.org/10.1038/s41586-022-04592-6
[2]https://www.techexplorist.com/tag/quantum-information/
[3]https://news.harvard.edu/gazette/story/2022/05/moving-entangled-atoms-in-quantum-processor
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