来自达特茅斯学院和麻省理工学院的团队设计并进行了第一次实验室测试，以成功检测和表征超导量子计算系统中常见的一类复杂的“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步骤。

这项在Nature Communications上发表的联合研究可以帮助加速量子计算系统的实现。该实验基于早期在达特茅斯进行的理论研究，并于2016年发表在“ 物理评论快报”上。

“这是尝试描述比量子域中通常假设的更复杂类型的噪声过程的第一个具体步骤，”Dartmouth的物理学教授Lorenza Viola说，他领导了2016年的研究以及现在的理论组成部分。工作。“随着量子比特相干特性的不断改进，检测非高斯噪声非常重要，以便建立最精确的量子系统。”

量子计算机与传统计算机的区别在于超越了经典物理学所青睐的二进制“开 - 关”测序。量子计算机依赖于量子比特 - 也称为量子比特 - 由原子和亚原子粒子构成。

基本上，量子比特可以同时放在“开”和“关”位置的组合中。它们也可以“纠缠”，这意味着一个量子比特的属性可以在一定距离内影响另一个量子比特。

超导量子比特系统被认为是构建可扩展的高性能量子计算机的主要竞争者之一。但是，与其他量子比特平台一样，它们对环境非常敏感，并且可能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，如材料杂质。降低噪声的能力是量子计算机发展的主要焦点。

“阻碍我们拥有大型量子计算机的一大障碍就是噪音问题。” 达特茅斯的博士后助理雷利诺里斯说，他是该研究的共同作者。“这项研究让我们了解噪音，这是取消它的一步，并希望有一天能有一台可靠的量子计算机。”

不需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的概率分布产生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范围，并且因为它可能只是更少。

每当噪声的统计特性是高斯噪声时，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，或等效地，在频域描述方面，即所谓的“噪声”。光谱。”

由于它们对周围环境的高灵敏度，量子比特可以用作自身噪声的传感器。基于这一理念，研究人员在开发用于识别和降低量子系统中高斯噪声的技术方面取得了进展，类似于降噪耳机的工作原理。

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同样是一个重要的挑战。

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。因此，需要更多关于噪声的信息才能识别它。

在该研究中，研究人员能够使用关于三个不同时间的相关性的信息来近似非高斯噪声的特征，对应于频域中所谓的“双谱”。

“这是第一次在具有量子比特的实验室中完成非高斯噪声的详细频率分辨表征。这一结果显着扩展了我们可用于进行精确噪声表征的工具箱，因此可以更好地制作量子计算机中更稳定的量子比特，“维奥拉说。

无法感知非高斯噪声的量子计算机很容易在它应该处理的量子信号和系统中不需要的噪声之间混淆。直到2016年达特茅斯研究才实现实现非高斯噪声光谱学的协议。

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切实可行，但这是使它们更精确的重要一步。

“这项研究始于白板。我们不知道是否有人能够将其投入实践，但尽管存在重大的概念和实验挑战，麻省理工学院的团队也做到了，”前达特茅斯博士后Felix Beaudoin说道。 Viola小组的学生也在研究中理论与实验之间的桥梁中发挥了重要作用。

麻省理工学院物理学教授威廉奥利弗说：“与达伦茅斯的Lorenza Viola及其出色的理论团队合作是一种绝对的快乐。” “我们多年来一直在合作开展多个项目，随着量子计算从科学的好奇心转向技术现实，我预计需要进行更多这样的跨学科和跨机构合作。”

根据研究小组的说法，为了完善量子系统中噪声的检测和消除，还需要多年的额外工作。特别是，未来的研究将从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比特之间的噪声相关性。