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谷歌提出量子比特循环纠错方案 维持时间可呈指数级增长

2021-07-16 15:54 · 稿源: cnbeta

为保护新生的量子计算机中的敏感信息免受错误影响,研究人员们已经付出了相当艰苦的努力。加州大学戴维斯分校的数学家 Greg Kuperberg 表示,尽管尚无重大突破,但未来前景已经相当明朗。柏林自由大学的理论物理学家 Joschka Roffe 指出,谷歌研究人员已经证明了完全纠错的“触手可及”。

20 多年来,物理学家和工程师们一直在努力开发在现实中可行的量子计算机。有朝一日,其有望破解许多难以想象的问题,甚至轻松攻破当前的互联网信息加密方案。

理论上,传统计算机的基础机构,是只能呈现 0 或 1 状态的“1-bit”电子开关。但在独特的量子领域,量子计算机还能够同时呈现这两种状态(比如 30% 的 0 和 70% 的 1)。

遗憾的是,量子比特的状态维持,对环境也提出了相当苛刻的要求。即便是最轻微的“噪声”,比如杂散电场或磁场,都可消除量子比特的这一奇妙状态。

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研究配图 - 1:Sycamore 上的稳定器电路

以谷歌的量子比特为例,其由具有两种不同能量状态的超导金属微小电路组成。其能够在噪声掩盖之前,保持约 15 微秒的这一状态。即便如此,这仍不足以让它投入实际运用。

长期以来,量子信息的纠错,一直是一项艰巨的挑战。传统计算机能够通过简单的比特位冗余副本,来验证数据状态和纠错。

然而由于量子力学的一项限制,我们无法将一个位置状态的量子比特,复制到另一个位置。

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研究配图 - 2:错误检测与分析

作为应对,科学家们已经设计出了在多个量子比特位中的一个‘逻辑’量子比特的信息传播方法。

例如,某个呈现 30% 的 0 和 70% 的 1 状态的量子比特,可被扩展到三个量子比特。

在这组中更大、但等效的量子态,将有助于研究人员来消除错误。

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研究配图 - 3:重复代码中的逻辑错误

当然,我们仍无法通过直接测量来获取数据,因为测量操作本身也会让量子态坍缩。

为此,研究人员将数据量子比特与所谓的辅助量子比特交织,并在每个辅助量子比特与其邻居之间建立被称作纠缠的量子链接。

通过重复测量一个辅助量子比特,研究人员可以判定相邻数据量子比特是否相对于彼此翻转、而无需对其展开直接的测量。原则上,物理学家可将这些量子比特推回到原始状态。

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研究配图 - 4:错误预算重复与表层编码

谷歌研究人员在 7 月 14 日发表于《自然》杂志上的报告中指出,他们已经用上了多达 11 个数据量子比特的链,从而能够在一段时间内维持一个逻辑量子比特的状态。

随着物理量子比特位数的增加,其维持时间也可呈指数级增长。通过将单个量子比特的状态传播到多达 11 个数据量子比特上,他们已将 50 微秒后出错的几率,从 40% 降低至 0.2% 。

如果能够将这套方案拓展运用到大约 1000 个物理量子比特,即可实现近乎无限期的维持。

感兴趣的朋友,可以翻阅《Nature》上的全文。原标题为《Exponential suppression of bit or phase errors with cyclic error correction》。

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