桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）和新墨西哥大學（University of New Mexico）的研究人員成功開發出新方法，能在不干擾量子位元（Qubits）狀態的情況下，偵測中性原子量子電腦中原子損失（Vanishing atoms）的現象，為實現大規模、可靠的量子運算，奠定堅實基礎。
量子電腦的潛力無窮，被寄予厚望能揭示現有系統無法觸及的宇宙奧妙。然而，量子位元的原子，有時會毫無預警地損失，導致運算中斷、資料損壞，這一直是量子運算發展的一大障礙，被稱為「原子損失」。
原子是量子電腦的核心。科學家們將它們冷凍在略高於絕對零度（約攝氏零下273.15度）的溫度下，以控制它們的行為。然而，即使在如此極端的環境下，原子仍然可能因為溫度波動或隨機的量子效應而逃逸。
這次的研究方法在檢測原子損失方面，準確度高達93.4%。透過辨識並標記這些錯誤，研究人員可以採取措施進行修正，提高量子電腦的穩定性。現有的檢測方案，能讓研究人員判斷結果是否可信，並透過填補檢測到的空白，找到糾正錯誤的方法。
▲ 桑迪亞國家實驗室的中性原子量子計算裝置的核心部分包括一個真空室和周圍的光學系統，用於捕獲和控制單個銫原子。（Source：桑迪亞國家實驗室，下同）
檢測原子損失的難題
雖然原子丟失對量子位元相對較少的小型機器來說，還算可控，但未來有用的量子電腦將需要數百萬個量子位元。如此龐大的數量，使得原子在運算過程中損失機率大大增加。
在過去，研究人員已在其他量子運算平台（例如使用帶電原子，即捕獲離子量子位元）中，找到檢測原子損失和其他類型洩漏錯誤的方法。這一次，研究小組是首次以非破壞性方式檢測中性原子系統中原子損失，透過實施基於電路的技術來檢測洩漏錯誤。
檢測原子損失的難題在於，科學家無法直接觀察在運算過程中需要保留的原子，因為任何觀察行為都會干擾原子的量子態，導致運算失敗。
研究突破源自一個意外的發現
新墨西哥大學博士生Matthew Chow（下圖左）在桑迪亞國家實驗室調試量子運算程式碼時，觀察到當原子相互作用時，重複進行操作，會使它們在糾纏狀態和解纏狀態之間切換。他發現，每次運行後，當原子解開糾纏時，雙原子情況的結果與單原子情況的結果有明顯不同。
Matthew Chow意識到，無需直接觀察，就能檢測到相鄰原子是否還存在於量子電腦中。這個發現，讓他非常興奮，並與新墨西哥大學的Vikas Buchemmavari分享。Vikas Buchemmavari進一步將這個想法形式化為一套專門用來偵測原子損失的程式碼，並與Matthew Chow共同設計測試方案。
Vikas Buchemmavari表示，他們希望這項研究能為其他研究團隊提供指導，以克服系統中的這些錯誤。Matthew Chow也對這個發現感到自豪，這代表原子損失的問題是可以解決的。
這項研究得到了桑迪亞實驗室指導研究與開發計畫的支持，研究成果已發表於《PRX Quantum》期刊。
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（首圖來源：shutterstock）
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