门集层析成像物理学家如何揭示量子计算机的内部工作原理

　　Sandia国家实验室研究人员安德鲁·巴泽夫斯基（左）和埃里克·尼尔森（Erik Nielsen）使用门集层析成像技术分析量子处理器中的问题。作者：丽贝卡·古斯塔夫，桑迪亚国家实验室
　　能源部桑迪亚国家实验室开发的一种精确诊断技术正在成为检测和描述量子计算硬件内部问题的黄金标准。
　　今天在科学杂志上发表了两篇论文 自然 描述独立的研究团队（包括Sandia研究人员）如何使用称为gate set tomography的Sandia技术来开发和验证高度可靠的量子处理器。Sandia自2012年以来一直在开发门集断层摄影术，资金来自美国能源部科学办公室（DOE Office of Science Office of Science），通过高级科学计算研究计划（Advanced Scientific Research program）。
　　Sandia科学家与悉尼新南威尔士大学的澳大利亚研究人员合作，由Andrea Morello教授领导，发表了今天的报纸之一他们一起用GST来证明一个复杂的，三个量子比特的系统，包括两个原子核和一个电子在一个硅芯片上，可以可靠地操作，精确度超过99%。
　　在另一个 自然 文章今天，由荷兰代尔夫特理工大学的Lieven Vandersypen教授领导的一个小组使用了使用Sandia软件实现的门集断层扫描技术，来证明99%以上精确度的重要里程碑，但采用了一种不同的方法，控制被困在其中的电子量子点而不是孤立的原子核.
　　＂我们希望世界各地的研究人员都知道，他们可以使用一种强大、尖端的工具，帮助他们取得突破，＂桑迪亚的科学家罗宾·布鲁姆·科霍特说。
　　未来量子处理器拥有更多的量子比特，或者说量子比特，可以使从事国家安全、科学和工业的用户比使用传统计算机更快地完成某些任务。但当前系统控制的缺陷会导致计算错误。量子计算机可以纠正一些错误，但它必须纠正的错误越多，计算机就变得越大，成本也就越高。
　　因此，科学家需要诊断工具来计算他们控制储存量子比特的单个原子和电子的精确程度，并学习如何防止错误而不是纠正错误。这在降低成本的同时提高了系统的可靠性。
　　门集层析成像是Sandia的旗舰技术，用于测量量子位和量子逻辑操作的性能，也称为＂门＂它结合了多种测量结果，生成了详细的报告，描述了错误以量子比特的形式出现的。像莫雷洛这样的实验科学家可以利用诊断结果推断出他们需要修复什么。
　　Morello说：＂由Robin Blume Kohout领导的Sandia国家实验室的量子性能实验室已经开发出最精确的方法来识别量子计算机中发生的错误的性质。＂。
　　门组断层扫描甚至检测到意外错误
　　Sandia团队维护一个免费的开源GST软件pyGSTi（发音为＂pigsty＂，代表Python Gate Set Tomography实现）。可在http://www.pygsti.info，这两个研究小组在年出版的 自然 今天。
　　虽然代尔夫特团队在没有得到Sandia团队帮助的情况下使用了pyGSTi软件，但新南威尔士州Sandia合作项目使用了由Sandia研究人员开发的一种新的、定制的门集断层扫描形式。新技术使团队能够排除更多潜在的错误模式，并专注于少数主要的错误机制。
　　但是当Sandia团队研究新南威尔士州实验数据的GST分析时，他们发现了一种莫雷罗小组没有预料到的令人惊讶的错误。原子核自旋量子位在本应被隔离的时候是相互作用的。国家量子科学研究中心的研究人员发现了量子系统中的一个缺陷，这可能有助于发现量子科学中的一个缺陷。
　　＂它占据了我很多空闲时间，＂巴泽夫斯基说。＂我会在星期六早上出去散步，突然，我会发生一些事情，然后我会跑回家去做一个小时的数学。＂
　　最终，巴泽夫斯基和其他团队成员追踪到了一个信号发生器，这个信号发生器正在向系统中泄漏微波。这在将来的实验中很容易修复，因为原因已经知道了。
　　布鲁姆·科霍特说：＂看到GST甚至检测到了没人预料到的错误，这真是令人满意。＂
　　Morello说：＂与Sandia国家实验室的合作对于实现硅高保真量子操作的里程碑至关重要。＂。＂Sandia开发的理论和计算方法使量子计算的精确演示达到了99%以上，并为残余误差的微观原因提供了宝贵的见解。我们计划在未来几年扩大这种战略合作。＂