实验标志着开发更精确的量子位系统的重要一步

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，以成功检测和表征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加精确的关键一步。

这项发表在《自然通讯》上的联合研究可以帮助加速量子计算系统的实现。该实验基于在达特茅斯进行的早期理论研究，并于2016年发表在《物理评论快报》上。

达特茅斯物理学教授洛伦扎·维奥拉(Lorenza Viola)表示：“这是试图表征比量子域中通常假定的更为复杂的噪声过程的第一步，这是迈出的第一步。”工作。“随着量子位相干特性的不断提高，检测非高斯噪声对建立尽可能精确的量子系统非常重要。”

量子计算机与传统计算机的不同之处在于，它超越了经典物理学青睐的二进制“开关”序列。量子计算机依赖于由原子和亚原子粒子构成的量子位(也称为量子位)。

本质上，可以同时将qubits置于“ on”和“ off”位置的组合中。它们也可以是“纠缠的”，这意味着一个量子位的属性可以在一定距离上影响另一个量子位。

超导量子位系统被认为是构建可扩展，高性能量子计算机的主要竞争者之一。但是，与其他qubit平台一样，它们对环境高度敏感，并且可能同时受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设备或杂散磁场。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。减少噪声的能力是量子计算机发展的主要重点。

“现在阻止我们拥有大规模量子计算机的最大障碍就是这个噪声问题。” 达特茅斯大学的博士后研究员利·诺里斯说。“这项研究使我们朝着了解噪声的方向前进，这是消除噪声的一步，并希望有一天能拥有一台可靠的量子计算机。”

通常用简单的“高斯”模型来描述不需要的噪声，其中噪声的随机波动的概率分布会创建一个熟悉的钟形高斯曲线。非高斯噪声更难以描述和检测，因为它超出了这些假设的有效性范围，并且可能会更少。

每当噪声的统计特性为高斯分布时，就可以使用少量信息来表征噪声-即，仅在两个不同的时间(或等效地，就频域描述而言)的相关性，即所谓的“噪声频谱。”

由于量子比特对周围环境的高度敏感性，因此可以用作自身噪声的传感器。基于这一想法，研究人员在开发用于识别和减少量子系统中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。

尽管不如高斯噪声常见，但识别和消除非高斯噪声对优化设计量子系统同样重要。

非高斯噪声的特征在于涉及多个时间点的更复杂的相关模式。结果，需要更多有关噪声的信息以便对其进行识别。

在这项研究中，研究人员能够使用三个不同时间的相关信息来近似非高斯噪声的特征，这与频域中所谓的“双谱”相对应。

“这是首次在具有qubit的实验室中完成了对非高斯噪声的详细的频率分辨特性描述。这一结果大大扩展了我们可用于进行精确噪声特性描述的工具箱，因此可以更好地进行制作量子计算机中更稳定的量子位。” Viola说。

无法感知非高斯噪声的量子计算机很容易在应该处理的量子信号与系统中的有害噪声之间混淆。在2016年进行的达特茅斯研究之前，没有实现非高斯噪声光谱的协议。

麻省理工学院验证协议的实验不会立即使大规模量子计算机切实可行，但这是朝着使它们更加精确的方向迈出的重要一步。

达特茅斯大学前博士后费利克斯·博杜安(Felix Beaudoin)说：“这项研究始于白板。我们不知道是否有人能够将其付诸实践，但是尽管在概念和实验上存在重大挑战，麻省理工学院的团队还是做到了。” Viola小组的学生，在研究的理论与实验之间架起了桥梁。

麻省理工学院物理学教授威廉·奥利弗说：“与洛伦扎·维奥拉和她在达特茅斯的出色理论团队合作非常高兴。“多年来，我们一直在几个项目上进行合作，随着量子计算从科学的好奇心过渡到技术的现实，我预计需要更多的跨学科和跨机构的合作。”

根据研究团队的说法，要完善量子系统中噪声的检测和消除，还需要数年的额外工作。特别是，未来的研究将由单传感器系统转变为双传感器系统，从而能够表征不同量子位之间的噪声相关性。