科学家首次打造出可“自检查、自纠错”的量子电路

科学家首次打造出可“自检查、自纠错”的量子电路

        要实现量子计算的梦想，就必须先克服一些困难，比如保持存储系统的稳定——即克服量子计算信息的基本单元(量子位/qubit)所固有的不稳定性。好消息是，来自美国加州大学伯克利分校的物理学家们，已经打造出了一个突破性的电路，它能够不断地自我检查、以保持量子存储始终处于无差错的状态。

　　UC Berkeley的物理学家们宣称打造出了突破性的量子点路，因其能够检查并纠正自身的错误。

　　量子信息很容易遇到由环境所引发的错误，比如宇宙射线、或者一个位置的量子相干(quantum coherence)崩溃，这意味着包含一个量子位的信息很容易丢失。

　　此外，由于量子纠缠态的特殊性，任何试图复制信息的行为，都会对它造成即时的破坏。

　　不过，身为一名研究生的UC Berkeley约翰·马蒂尼物理实验室研究员Julian Kelly表示：“量子计算的一个最大挑战，就是量子比特本身出现了问题(inherently faulty)。所以如果你在里面存储了一些信息，它们是会被忘记的”。

　　该团队并未尝试维持一个量子比特(比方说将其诱捕到硅的同位素中)，而是通过某种基于算法的方式来实现。

量子纠错系统和相应算法的原理图

　　不同于传统计算机，量子计算机不使用二进制(0和1)来存储数据，因为它还拥有另一种“叠加态”(superpositioning)，即它既可以是0、也可以是1。

　　尴尬的是，尽管这一特性让它在计算能力方面拥有显著优点，但量子位也有一个显著的缺点，那就是量子位很容易出现“翻转”(flipping,状态随机地改变)，而且在不稳定的环境中会更加严重。

　　Kelly说到：“这使得我们很难处理信息，如果它消失了的话”。为了解决这个问题，他们想出了全新的错误检测和校正方法——将信息同时存储在多个量子位上。

　　该团队的想法是：“我们打造了一套包含9个量子比特、然后可以查找错误的系统。网格中的量子位负责维护其邻位信息(通过重复的误差检测和校正)，如此一来，相应的信息就可以保存得比任何单独的量子位都更长久更准确”。

　　这么做的必要之处在于，量子态存在于量子比特之中：你可以知道一个粒子的位置，也可以衡量它的动量(momentum)，但却不能同时使用。

　　该校博士后研究员Rami Rarends称：“你不能衡量一个量子态，不能给期望它仍然是个量子。测量的行为会将量子比特锁定到一种单一的状态，而它也失去了成为叠加态的能力”。

　　为了做到这点，该校科学家兼工作人员Austin Fowler使用了所谓的“表面代码”(Surface code)，以提供有关错误的信息。

　　通过反复测量矩阵中每个量子位与其相邻数据的相互作用，测量值的变化就暗示了空间和时间上出现了错误。

　　简而言之，该代码借用了“奇偶校验值”(parity information)来检测原始数据的任何变化。

　　在这种状态下，如果偏振状态被施加到了一组量子位上，那么这些量子位就会被传送到系统中的其它地方，而任何极化变化都可以通过原始状态和传输过来的量子状态的比对而得知。

　　最终，我们可以拉出足够的信息来检测错误，但又不会因为“偷窥”而破坏底层的量子态。

　　截至目前，该团队的研究已经证明了可将一个量子位的“翻转”错误给否定掉。不过他们希望下一步能够解决其它量子位“退相干”(decoherence)问题，比如对“相位翻转”错误进行“互补”。

　　Martinis团队的高级研究人员们现在也有与Google进行合作，以便进一步探索该技术和研究量子计算的应用。相关论文已经发表在《自然》(Nature)杂志上。

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