達特茅斯學院和麻省理工學院的一個團隊設計并進行了第一個實驗室測試，以成功檢測和表征超導量子計算系統中經常遇到的一類復雜的“非高斯”噪聲過程。

超導量子比特中非高斯噪聲的表征是使這些系統更加精確的關鍵一步。

這項發表在《自然通訊》上的聯合研究可以幫助加速量子計算系統的實現。該實驗基于在達特茅斯進行的早期理論研究，并于2016年發表在《物理評論快報》上。

達特茅斯物理學教授洛倫扎·維奧拉(Lorenza Viola)表示：“這是試圖表征比量子域中通常假定的更為復雜的噪聲過程的第一步，這是邁出的第一步。”工作。“隨著量子位相干特性的不斷提高，檢測非高斯噪聲對建立盡可能精確的量子系統非常重要。”

量子計算機與傳統計算機的不同之處在于，它超越了經典物理學青睞的二進制“開關”序列。量子計算機依賴于由原子和亞原子粒子構成的量子位(也稱為量子位)。

本質上，可以同時將qubits置于“ on”和“ off”位置的組合中。它們也可以是“糾纏的”，這意味著一個量子位的屬性可以在一定距離上影響另一個量子位。

超導量子位系統被認為是構建可擴展，高性能量子計算機的主要競爭者之一。但是，與其他qubit平臺一樣，它們對環境高度敏感，并且可能同時受外部噪聲和內部噪聲的影響。

量子計算系統中的外部噪聲可能來自控制電子設備或雜散磁場。內部噪聲可能來自其他不受控制的量子系統，例如材料雜質。減少噪聲的能力是量子計算機發展的主要重點。

“現在阻止我們擁有大規模量子計算機的最大障礙就是這個噪聲問題。” 達特茅斯大學的博士后研究員利·諾里斯說。“這項研究使我們朝著了解噪聲的方向前進，這是消除噪聲的一步，并希望有一天能擁有一臺可靠的量子計算機。”

通常用簡單的“高斯”模型來描述不需要的噪聲，其中噪聲的隨機波動的概率分布會創建一個熟悉的鐘形高斯曲線。非高斯噪聲更難以描述和檢測，因為它超出了這些假設的有效性范圍，并且可能會更少。

每當噪聲的統計特性為高斯分布時，就可以使用少量信息來表征噪聲-即，僅在兩個不同的時間(或等效地，就頻域描述而言)的相關性，即所謂的“噪聲頻譜。”

由于量子比特對周圍環境的高度敏感性，因此可以用作自身噪聲的傳感器。基于這一想法，研究人員在開發用于識別和減少量子系統中高斯噪聲的技術方面取得了進展，類似于消除噪聲的耳機的工作原理。

盡管不如高斯噪聲常見，但識別和消除非高斯噪聲對優化設計量子系統同樣重要。

非高斯噪聲的特征在于涉及多個時間點的更復雜的相關模式。結果，需要更多有關噪聲的信息以便對其進行識別。

在這項研究中，研究人員能夠使用三個不同時間的相關信息來近似非高斯噪聲的特征，這與頻域中所謂的“雙譜”相對應。

“這是首次在具有qubit的實驗室中完成了對非高斯噪聲的詳細的頻率分辨特性描述。這一結果大大擴展了我們可用于進行精確噪聲特性描述的工具箱，因此可以更好地進行制作量子計算機中更穩定的量子位。” Viola說。

無法感知非高斯噪聲的量子計算機很容易在應該處理的量子信號與系統中的有害噪聲之間混淆。在2016年進行的達特茅斯研究之前，沒有實現非高斯噪聲光譜的協議。

麻省理工學院驗證協議的實驗不會立即使大規模量子計算機切實可行，但這是朝著使它們更加精確的方向邁出的重要一步。

達特茅斯大學前博士后費利克斯·博杜安(Felix Beaudoin)說：“這項研究始于白板。我們不知道是否有人能夠將其付諸實踐，但是盡管在概念和實驗上存在重大挑戰，麻省理工學院的團隊還是做到了。” Viola小組的學生，在研究的理論與實驗之間架起了橋梁。

麻省理工學院物理學教授威廉·奧利弗說：“與洛倫扎·維奧拉和她在達特茅斯的出色理論團隊合作非常高興。“多年來，我們一直在幾個項目上進行合作，隨著量子計算從科學的好奇心過渡到技術的現實，我預計需要更多的跨學科和跨機構的合作。”

根據研究團隊的說法，要完善量子系統中噪聲的檢測和消除，還需要數年的額外工作。特別是，未來的研究將由單傳感器系統轉變為雙傳感器系統，從而能夠表征不同量子位之間的噪聲相關性。