MIT一项新的研究得到了美国陆军研究办公室和美国国家科学基金会的支持。该研究针对量子技术面临的最大挑战“纠错”提出了一个更有效的解决方法,这将可能构成未来各种基于量子技术的重要组成部分,使得量子计算机、量子通信系统、以及高度敏感的传感器系统更加实用。

 

量子设备面临的挑战

世界各地的实验室都在竞相开发新的基于量子力学原理的计算和传感设备,虽然这些设备可能会比传统的设备具有巨大的优势,但是这些技术仍然面临着数项挑战。

 

量子“噪声”

其中最重要的问题之一就是如何应对“噪声”,因为许多量子系统本身对外部环境高度敏感,噪声的产生是因为物理系统和自然系统并不是孤立存在的,它们仅仅是一个更大环境中的一部分,该环境内有许多粒子,且每个粒子都在不同的、未知的方向上运动,这种随机性会产生热波动。也就是说,量子比特在运行时设备中的噪声已经存在。在处理测量计算时,噪声影响,使计算结果表现出误差。所以,我们所说的消除“噪声”或者误差,即是消除存储在设备中的数据的随机波动。

 

不便于测量

量子设备面临的另一个重大挑战是不便于测量。由于量子比特(Qubit)具有纠缠态(Entanglement)的特征,对于研究人员制备的“纠缠”量子比特对,当研究人员以可预测的方式改变其中一个量子比特的状态时,另一个量子比特的状态便瞬间改变,这导致研究人员很难了解到它的很多原理,虽然这个特性也是量子设备的运算能力呈指数级增长的原因。

 

传统减少噪声的方法

噪声的存在将削弱量子计算机的大量计算能力。而传统的减少噪声的方法是通过捕获噪声产生的各种可能性以通过相关的算法或添加更多的量子辅助比特来降低噪声产生的误差。但是,算法的开发将耗费大量的资源,而通过添加量子辅助比特则可能需要数千个标准量子比特才能创建一个高度可靠的“逻辑”量子比特。

 

高效减少噪声的途径

近日,麻省理工学院的研究人员开发出一种新方法可以在量子误差校正方面迈出重要的一步。该方法涉及对系统进行微调,以处理最有可能出现的各种噪声,而不是试图捕捉所有可能的干扰源。

这项研究发表在《物理评论快报》(《Physical Review Letters》)上,由麻省理工学院研究生David Layden、博士后Mo Chen和核科学与工程学教授Paola Cappellaro共同撰写。

 

MIT | 最新量子纠错技术,高效降噪-量子客
(来源:MIT, David Layden)

在钻石晶体中,三个碳原子核(蓝色)围绕着称为氮空位色心的空点(红色),其行为如同单个电子一般。而碳原子核起着量子位的作用,事实证明干扰它们的主要噪声源来自中间的不稳定“电子”。研究人员发现,通过了解主要噪声的单一来源,可以更轻松地对其进行纠错。

 

研究人员找到了一种方法,将纠错范围限制在最普遍的特定类型的噪音上。他们正在研究的量子系统由碳原子核组成,该碳原子核位于钻石晶体中一种特殊的缺陷附近,该缺陷称为氮空位色心(NV)。这些缺陷的行为就像单个孤立的“电子”一样,它们的存在使得能够控制附近的碳原子核。

但是研究小组发现影响这些原子核的绝大多数噪声来自单一来源:即原子核附近的缺陷自身的随机波动。 这种噪声源可以被精确地模拟出来,而且由于产生的其他噪声源相对较小,因此抑制氮空位色心自身所产生的随机波动将可能会产生重大影响。

由此,研究小组专门针对这种特殊的、占主导地位的噪音源提出了一种不同的纠错策略。到目前为止,这项工作还只是理论性的,研究小组正在积极地在实验室中演示这一原理。 研究人员表示,如果它能如预期那样工作,那么它将构成未来各种基于量子技术的重要组成部分,包括可能解决高度复杂问题的量子计算机、可以免受窥探的量子通信系统、高度敏感的传感器系统等。

 

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作者 DY            编辑 Sakura