达特茅斯学院和麻省理工学院的一个团队设计并进行了第一个实验室测试，成功地检测并表征了超导量子计算系统中经常遇到的一类复杂的“非高斯”噪声过程。超导量子比特中非高斯噪声的表征，是使这些系统更精确的关键一步。现在发表在《自然通讯》(Nature Communications)上的这项联合研究，可能有助于加速量子计算系统的实现。该实验基于达特茅斯大学早期的理论研究，并于2016年发表在《物理评论快报》上。

达特茅斯大学(Dartmouth)物理学教授洛伦扎·维奥拉说：这是试图描述比量子领域中通常假设更复杂类型噪声过程的第一个具体步骤，随着量子位相干性的不断提高，检测非高斯噪声以建立最精确的量子系统是非常重要。量子计算机与传统计算机的不同之处在于，它超越了经典物理所青睐的二进制“开-关”顺序。量子计算机依赖于量子比特(也称为量子比特)，量子比特是由原子和亚原子粒子构成。本质上，量子位可以同时放置在“开”和“关”位置的组合中。

它们也可以被“纠缠”，这意味着一个量子位的属性可以影响远距离的另一个量子位。超导量子比特系统被认为是建造可伸缩的高性能量子计算机竞赛中的主要竞争者之一。但是，像其他量子比特平台一样，对环境高度敏感，可以受到外部噪声和内部噪声的影响。

量子计算系统中的外部噪声可能来自控制电子或杂散磁场。内部噪声可能来自其他不受控制的量子系统，例如材料杂质。降低噪声的能力是量子计算机发展中的一个主要焦点。阻止我们现在拥有大规模量子计算机的一大障碍是噪音问题。

这项研究使我们朝着理解噪音的方向前进，这是向消除噪音迈出的一步，希望有一天会有一台可靠的量子计算机。不想要的噪声通常用简单的“高斯”模型来描述，其中噪声的随机波动概率分布创建了一个熟悉的钟形高斯曲线。非高斯噪声更难描述和检测，因为它落在这些假设的有效性范围之外，并且因为可能只有更少的噪声。无论何时噪声统计特性是高斯的，可以使用少量信息来表征噪声-即，仅在两个不同时间的相关性，或者等效地，就频域描述而言，即所谓的“噪声谱”。

由于其对周围环境的高度敏感性，量子比特可以用作自身噪声的传感器。基于这一想法，研究人员在开发识别和减少量子系统中的高斯噪声的技术方面取得了进展，类似于消除噪声的耳机的工作原理。虽然不像高斯噪声那样常见，但识别和消除非高斯噪声对于优化设计量子系统来说是一个同样重要的挑战。非高斯噪声通过涉及多个时间点的更复杂相关性模式来区分。因此，为了识别噪声，需要更多关于噪声的信息。在这项研究中，研究人员能够使用三个不同时间的相关性信息来近似非高斯噪声的特征，对应于频域中所谓的“双谱”。

这是第一次能够在使用量子比特的实验室中，对非高斯噪声进行详细的频率分辨表征。这一结果极大地扩展了可用于进行精确噪声表征的工具箱，从而在量子计算机中制作出更好、更稳定的量子比特。不能感知非高斯噪声的量子计算机很容易混淆它应该处理的量子信号和系统中不想要的噪声。虽然麻省理工学院验证该协议的实验不会立即使大规模量子计算机具有实际可行性，但它是朝着使其更加精确迈出的重要一步。

博科园｜研究/来自：达特茅斯学院

参考期刊《自然通讯》

DOI: 10.1038/s41467-019-11699-4

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