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谷歌的物理学家:量子计算机信息保护/纠错系统离成功 “近在咫尺”
2021/8/11 15:44:21 | 浏览:242 | 评论:0

  谷歌的物理学家在量子计算机的信息保护方面迈出了重要的一步。量子计算机存储的信息可能会湮灭,研究人员也无法纠错——这是构建成熟的量子计算机的必要步骤。

谷歌的物理学家:量子计算机信息保护/纠错系统离成功 “近在咫尺”

  加州大学戴维斯分校的数学家Greg Kuperberg说:"这里没有重大突破,但他们正在做艰苦的工作,而且他们正在获得明显进展。"柏林自由大学的理论物理学家Joschka Roffe说,谷歌的研究人员在完全纠错方面与成功 "近在咫尺"。

  20多年来,物理学家和工程师一直在开发量子计算机。然而,量子比特比普通比特要狡猾得多。来自环境的最轻微的噪音,如杂散的电场或磁场,可以抹去量子位的微妙迭加状态,使其处于0或1的确定状态。

  处理这种错误是一项艰巨的挑战。普通计算机可以通过简单地复制比特,并使用备份校验内存的状态。量子计算机不能这样做,因为量子力学有所谓的不可克隆定理。科学家们不得不设计出将一个 "逻辑" 量子位的信息分散到许多量子位上的方法。例如,一个30%为0、70%为1的单一量子比特的状态可以分散到三个量子比特中,这样,作为一个群体,这些量子比特处于这样一种状态:所有三个量子比特中30%为0,70%为1。这种更大但等效的量子状态有助于研究人员纠错。

  然而,他们又不能通过直接测量,因为测量本身会导致迭加态的坍缩。因此,研究人员将数据量子比特与所谓的辅助量子比特交织在一起,建立量子纠缠。通过反复测量辅助量子比特,研究人员可以知道相邻的数据量子比特是否已经被篡改——而不需要直接测量数据量子比特。原则上,物理学家可以将这些量子比特推回到它们的原始状态。

  他们前提在《自然》上报告说,通过对多达11个数据量子比特的链进行分析,谷歌现在已经能够将逻辑量子比特(信息)保存一段时间,这个时间随着物理量子比特(存储信息的实体)的数量呈指数级增长。通过在多达11个数据量子位上分散一个量子位的状态,他们将50微秒后出现错误的几率从40%降低到0.2%。

  其他团队已经验证了类似的错误纠正方案,但新工作是首次证明,可以指数级增加物理量子比特,避免错误出现。这种指数级抑错表明,开发者最终可能会通过将逻辑量子比特分散到大约1000个物理量子比特上而无限期地维持它。

  不过,该团队在完全纠错方面只走完了一半。首先,研究人员还没有将翻转的物理量子比特推回到它们的原始状态。

  更重要的是,谷歌团队无法同时解决可能影响量子比特的两种类型的错误:比特翻转,即交换量子状态的0和1部分,以及相位翻转。在任何特定的程序中,研究人员只能抑制一种类型的错误。为了纠正这两种错误,他们将需要从字面上进入另一个维度,不是在物理量子比特链中编码单一的逻辑量子比特,而是在一个称为表面代码的更复杂的协议中编码一个方形网格。这才是量子计算机发展道路上的最后一关。

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