世界今日报丨纠错的未来：利用量子加扰的优势

2023-02-17 11:50:46 来源：cnBeta

(资料图片)

量子计算机和其他量子系统经历了信息传播和快速扰乱，类似于在Boggle游戏中骰子变得混乱的方式。这发生在系统的基本单元，即所谓的量子比特（与经典计算机比特相似，但具有量子性质），彼此纠缠在一起。纠缠是一种量子物理学现象，在这种现象中，粒子变得相互联系，并保持联系，即使它们没有直接接触。

研究人员发现，在量子模拟器中，即使是最简单的、混乱的动力学，也会自然地出现复杂的随机行为。这幅插图放大了一个明显平滑的量子系统中的一个复杂状态集。资料来源：加州理工学院

这些量子系统模仿自然过程，为科学家们提供了创造创新和独特材料的机会，并有可能在医学、计算机电子学和其他行业得到应用。尽管全面的量子计算机还远在未来，但研究人员目前正在进行量子模拟器的实验，这些模拟器是专门为解决特定问题而设计的，如有效模拟高温超导体和其他量子材料。这些机器也有可能解决复杂的优化问题，如防止自主车辆行进中的碰撞。

使用这些量子机器的一个挑战是，它们非常容易出错，比经典计算机更容易出错。在这些较新的系统中识别错误也更难。"在大多数情况下，量子计算机会犯很多错误，"加州理工学院物理学研究生亚当-肖说，他是《自然》杂志上一项关于验证量子设备准确性的新方法的两位主要作者之一。"你不能打开机器看里面，而且有大量的信息被存储--对于经典计算机来说，这些信息太多，无法解释和验证。"

在《自然》杂志的研究中，Shaw和共同第一作者Joonhee Choi（前加州理工学院的博士后学者，现在是斯坦福大学的教授）展示了一种新的方法来测量量子设备的准确性，也被称为保真度。两位研究人员都在加州理工学院物理学教授、罗森伯格学者曼努埃尔-恩德雷斯的实验室工作。他们的新策略的关键是随机性。科学家们已经发现并描述了一种新发现的随机性，与信息在量子系统中被扰乱的方式有关。但是，即使量子行为是随机的，在噪声中也可以识别出普遍的统计模式。

"我们有兴趣更好地了解信息被扰乱时发生了什么，"Choi说。"而通过用统计学来分析这种行为，我们可以寻找模式中的偏差，这些偏差表明已经发生了错误。"

"我们不希望只是从我们的量子机器中得到一个结果；我们希望得到一个经过验证的结果，"Endres说。"由于量子混沌，一个微观的错误会导致一个完全不同的宏观结果，与蝴蝶效应相当类似。这使我们能够有效地检测错误。"

研究人员在一个有多达25个量子比特的量子模拟器上演示了他们的协议。为了发现是否发生了错误，他们对系统的行为进行了数千次的测量，直至单量子位水平。通过观察量子比特如何随时间演变，研究人员可以在看似随机的行为中找出模式，然后寻找与他们预期的偏差。最终，通过发现错误，研究人员将知道如何以及何时来修复它们。

"我们可以追踪信息如何以单量子比特的分辨率在系统中移动，"Choi说。"我们能做到这一点的原因是，我们还发现，这种随机性，就是自然发生的，只在一个量子比特的水平上表示。你可以在系统的子部分看到普遍的随机模式。"

Shaw将他们的工作比作测量湖面上波浪的汹涌程度。"如果有风来，你会在湖面上得到波峰和波谷，虽然它可能看起来是随机的，但人们可以在随机性中找出一种模式，并跟踪风对水的影响。我们将能够通过分析模式的变化来判断风向是否改变。我们的新方法同样允许我们寻找量子系统的变化，这将表明有误差。"

关键词：加州理工学院加利福尼亚