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量子計算機糾錯系統離成功 「近在咫尺」

谷歌的物理學家在量子計算機的信息保護方面邁出了重要的一步。量子計算機存儲的信息可能會湮滅,研究人員也無法糾錯——這是構建成熟的量子計算機的必要步驟。

加州大學戴維斯分校的數學家Greg Kuperberg說:"這裏沒有重大突破,但他們正在做艱苦的工作,而且他們正在獲得明顯進展。"柏林自由大學的理論物理學家Joschka Roffe說,谷歌的研究人員在完全糾錯方面與成功"近在咫尺"。

20多年來,物理學家和工程師一直在開發量子計算機。然而,量子比特比普通比特要狡猾得多。來自環境的最輕微的噪音,如雜散的電場或磁場,可以抹去量子位的微妙迭加狀態,使其處於0或1的確定狀態。

處理這種錯誤是一項艱巨的挑戰。普通計算機可以通過簡單地複製比特,並使用備份校驗內存的狀態。量子計算機不能這樣做,因為量子力學有所謂的不可克隆定理。科學家們不得不設計出將一個"邏輯"量子位的信息分散到許多量子位上的方法。例如,一個30%為0、70%為1的單一量子比特的狀態可以分散到三個量子比特中,這樣,作為一個群體,這些量子比特處於這樣一種狀態:所有三個量子比特中30%為0,70%為1。這種更大但等效的量子狀態有助於研究人員糾錯。

然而,他們又不能通過直接測量,因為測量本身會導致迭加態的坍縮。因此,研究人員將數據量子比特與所謂的輔助量子比特交織在一起,建立量子糾纏。通過反覆測量輔助量子比特,研究人員可以知道相鄰的數據量子比特是否已經被篡改——而不需要直接測量數據量子比特。原則上,物理學家可以將這些量子比特推回到它們的原始狀態。

他們前提在《自然》上報告說,通過對多達11個數據量子比特的鏈進行分析,谷歌現在已經能夠將邏輯量子比特(信息)保存一段時間,這個時間隨着物理量子比特(存儲信息的實體)的數量呈指數級增長。通過在多達11個數據量子位上分散一個量子位的狀態,他們將50微秒後出現錯誤的幾率從40%降低到0.2%。

其他團隊已經驗證了類似的錯誤糾正方案,但新工作是首次證明,可以指數級增加物理量子比特,避免錯誤出現。這種指數級抑錯表明,開發者最終可能會通過將邏輯量子比特分散到大約1000個物理量子比特上而無限期地維持它。

不過,該團隊在完全糾錯方面只走完了一半。首先,研究人員還沒有將翻轉的物理量子比特推回到它們的原始狀態。

更重要的是,谷歌團隊無法同時解決可能影響量子比特的兩種類型的錯誤:比特翻轉,即交換量子狀態的0和1部分,以及相位翻轉。在任何特定的程序中,研究人員只能抑制一種類型的錯誤。為了糾正這兩種錯誤,他們將需要從字面上進入另一個維度,不是在物理量子比特鏈中編碼單一的邏輯量子比特,而是在一個稱為表面代碼的更複雜的協議中編碼一個方形網格。這才是量子計算機發展道路上的最後一關。

責任編輯: 李華  來源:煎蛋網 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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