谷歌提出量子比特循環糾錯方案 維持時間可呈指數級增長

為保護新生的量子計算機中的敏感信息免受錯誤影響,研究人員們已經付出了相當艱苦的努力。加州大學戴維斯分校的數學家 Greg Kuperberg 表示,盡管尚無重大突破,但未來前景已經相當明朗。柏林自由大學的理論物理學家 Joschka Roffe 指出,谷歌研究人員已經證明了完全糾錯的「觸手可及」。

谷歌提出量子比特循環糾錯方案 維持時間可呈指數級增長

驗證量子糾錯的 Sycamore 晶片(圖自:Google)

20 多年來,物理學家和工程師們一直在努力開發在現實中可行的量子計算機。有朝一日,其有望破解許多難以想像的問題,甚至輕松攻破當前的網際網路信息加密方案。

理論上,傳統計算機的基礎機構,是只能呈現 0 或 1 狀態的「1-bit」電子開關。但在獨特的量子領域,量子計算機還能夠同時呈現這兩種狀態(比如 30% 的 0 和 70% 的 1)。

遺憾的是,量子比特的狀態維持,對環境也提出了相當苛刻的要求。即便是最輕微的「噪聲」,比如雜散電場或磁場,都可消除量子比特的這一奇妙狀態。

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研究配圖 – 1:Sycamore 上的穩定器電路

以谷歌的量子比特為例,其由具有兩種不同能量狀態的超導金屬微小電路組成。其能夠在噪聲掩蓋之前,保持約 15 微秒的這一狀態。即便如此,這仍不足以讓它投入實際運用。

長期以來,量子信息的糾錯,一直是一項艱巨的挑戰。傳統計算機能夠通過簡單的比特位冗餘副本,來驗證數據狀態和糾錯。

然而由於量子力學的一項限制,我們無法將一個位置狀態的量子比特,復制到另一個位置。

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研究配圖 – 2:錯誤檢測與分析

作為應對,科學家們已經設計出了在多個量子比特位中的一個『邏輯』量子比特的信息傳播方法。

例如,某個呈現 30% 的 0 和 70% 的 1 狀態的量子比特,可被擴展到三個量子比特。

在這組中更大、但等效的量子態,將有助於研究人員來消除錯誤。

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研究配圖 – 3:重復代碼中的邏輯錯誤

當然,我們仍無法通過直接測量來獲取數據,因為測量操作本身也會讓量子態坍縮。

為此,研究人員將數據量子比特與所謂的輔助量子比特交織,並在每個輔助量子比特與其鄰居之間建立被稱作糾纏的量子連結。

通過重復測量一個輔助量子比特,研究人員可以判定相鄰數據量子比特是否相對於彼此翻轉、而無需對其展開直接的測量。原則上,物理學家可將這些量子比特推回到原始狀態。

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研究配圖 – 4:錯誤預算重復與表層編碼

谷歌研究人員在 7 月 14 日發表於《自然》雜誌上的報告中指出,他們已經用上了多達 11 個數據量子比特的鏈,從而能夠在一段時間內維持一個邏輯量子比特的狀態。

隨著物理量子比特位數的增加,其維持時間也可呈指數級增長。通過將單個量子比特的狀態傳播到多達 11 個數據量子比特上,他們已將 50 微秒後出錯的幾率,從 40% 降低至 0.2% 。

如果能夠將這套方案拓展運用到大約 1000 個物理量子比特,即可實現近乎無限期的維持。

感興趣的朋友,可以翻閱《Nature》上的全文。原標題為《Exponential suppression of bit or phase errors with cyclic error correction》。

來源:cnBeta