該設(shè)計(jì)利用規(guī)范理論處理量子信息，避免系統(tǒng)坍縮。

澳大利亞研究人員開發(fā)出一種新的量子糾錯(cuò)方法，有望顯著減少構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)所需的量子比特?cái)?shù)量。這項(xiàng)研究由悉尼大學(xué)理論量子物理學(xué)家多米尼克·威廉姆森博士領(lǐng)導(dǎo)，提出了一種應(yīng)用規(guī)范理論的新穎方法。美國 IBM 公司為這項(xiàng)研究提供了支持。

IBM 已將該設(shè)計(jì)的部分元素納入其量子計(jì)算的長期規(guī)劃中。量子計(jì)算是一種新興技術(shù)，預(yù)計(jì)將在密碼學(xué)、材料科學(xué)、藥物研發(fā)和復(fù)雜系統(tǒng)建模等領(lǐng)域帶來突破。

然而，由于量子糾錯(cuò)（QEC）的難題，從實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)過渡到實(shí)用且具備容錯(cuò)能力的計(jì)算機(jī)仍是一大障礙?！拔覀冋幵诶碚撆c實(shí)驗(yàn)開始相互契合的階段，”威廉姆森指出。
“現(xiàn)在的大問題是如何設(shè)計(jì)能夠高效擴(kuò)展、解決實(shí)際問題的量子計(jì)算機(jī)，”他補(bǔ)充道，“我們的工作提供了一個(gè)有前景的藍(lán)圖。”

一種新的量子比特策略

量子計(jì)算機(jī)的基本信息單元是量子比特，它們處于態(tài)的疊加之中，可以同時(shí)表示 0 和 1。

然而，量子態(tài)極其脆弱，容易受到噪聲和退相干的干擾。為了解決這一問題，科學(xué)家們使用量子糾錯(cuò)——一種能夠識別并修復(fù)這些干擾所引發(fā)錯(cuò)誤的算法。

但傳統(tǒng)方法需要大量的額外量子比特。“量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算方式與經(jīng)典計(jì)算機(jī)截然不同，”威廉姆森強(qiáng)調(diào)，“任何與環(huán)境之間的意外相互作用，都可能摧毀賦予量子計(jì)算機(jī)能力的量子效應(yīng)?！?/p>

在該項(xiàng)目中，威廉姆森利用規(guī)范理論——一個(gè)協(xié)調(diào)局域相互作用與全局守恒定律的框架——找到了一種追蹤整個(gè)系統(tǒng)中全局量子信息活動(dòng)的方法，類似于量子硬盤。

這使得在不迫使特定量子態(tài)在單個(gè)量子比特層面坍縮的情況下，也能監(jiān)測量子活動(dòng)。

“規(guī)范只是一種數(shù)學(xué)構(gòu)造，為我們研究的任何定義好的系統(tǒng)提供一組局部坐標(biāo)，”威廉姆森說，“對我們有用的是，規(guī)范理論允許在局域?qū)用嫔蠈ψ鴺?biāo)系進(jìn)行變換，而系統(tǒng)在物理上具有重要意義的全局屬性保持不變。”

修復(fù)錯(cuò)誤

威廉姆森表示，這一想法源于粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，旨在更高效地減少量子計(jì)算中的錯(cuò)誤。該方法使用一種將量子存儲(chǔ)器與邏輯處理器系統(tǒng)相連接的結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，引入合成的“規(guī)范式”自由度，以在不導(dǎo)致編碼量子態(tài)發(fā)生局域坍縮的情況下，測量全局邏輯信息。研究團(tuán)隊(duì)利用擴(kuò)展圖來安排這些自由度，以實(shí)現(xiàn)高效的擴(kuò)展。

威廉姆森解釋說，規(guī)范理論引入了額外的自由度，能夠追蹤全局屬性，而無需迫使系統(tǒng)進(jìn)入確定的局域狀態(tài)?！拔覀円庾R到，類似的想法可以用于處理局域量子信息，”他在新聞稿中總結(jié)道。

這項(xiàng)研究為具有糾錯(cuò)能力的量子計(jì)算提供了一種靈活的設(shè)計(jì)，既能保持先進(jìn)量子存儲(chǔ)器的高效率，又增加了處理能力。該系統(tǒng)避免了量子比特的過度冗余。

該研究已發(fā)表于《自然·物理學(xué)》期刊。

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