最新研发的量子计算机降噪技术-量子客(图片来源:阿贡国家实验室)

Matt Otten(左)和Stephen Gray(右)开发了一种不需要借助额外的量子硬件就可以有效减少量子噪声(Quantum Noise)的技术。

消除量子计算中的固有噪声是量子计算得以广泛应用的关键一步。

减少噪声影响是全球各地科学家在迈进量子计算新时代所面临的挑战。近期,阿贡研究人员报告了一种减少量子信息设备中“噪声”影响的新方法。 就当前量子计算机而言,如果在量子计算机上执行一个算法或者执行多个量子信息技术应用,都会遭受"消相干"(Decoherence)影响,即由于噪声影响而导致信息丢失。 消相干是量子硬件所固有的特性。

阿贡研究人员 Matthew Otten 和 Stephen Gray 已经开发出一种技术,这种技术通过使用不同的噪声特性重复量子过程、进行多次实验,将信息从含有噪声影响的实验结果中提取出来,从而通过分析得到消除噪声影响的结果。 在收集所有运行的结果后,研究人员可以利用这些运行结果建立一个超曲面,用超曲面的其中一个轴代表测量结果,另外两个(或更多)轴代表不同的噪声参数,通过超曲面提供的信息进行推测得出消除噪声影响的结果。

最新研发的量子计算机降噪技术-量子客(图片来源:阿贡国家实验室)

这是一个适用于多种实验的“超曲面”分析方法,其噪声参数ɣ1和ɣ2略有不同。 黑点是具有不同噪声率的可观测量的测量值,红色“X”是无噪音的结果, 蓝色,橙色和绿色表面是一阶,三阶和四阶拟合。

"这就像拍摄一系列有瑕疵的照片,"Otten说, "每张照片都有瑕疵,但是瑕疵的位置不同。 当我们从一系列有瑕疵的照片中整理出所有清晰的片段时,我们就得到了一张清晰的完美的照片。"所以,利用这种技术可以在无需使用额外量子硬件的情况下有效地降低量子噪声。

"你可以创建几台小型量子计算机并行运行," Gray说,"运行结果将有助于在退相干设定之前扩展量子计算机的实用性。"

“我们成功地在Rigetti 8Q-Agave量子计算机上简单的演示了上面提到的方法,”Otten说, “近期这类方法可能会在量子计算机中得到广泛应用。

Otten和Gray开发了一个与上文“拍摄一系列有瑕疵的照片”类似的、计算复杂度稍低的处理方法来消除噪声,这个方法是基于一次纠正一个量子比特来消除结果中的噪声影响,最终通过纠正所有量子比特从而得到近似的结果。 (量子比特,在量子计算中相当于经典计算中使用的二进制数字或比特。)

Otten指出,“在这种方法中,我们的假设是每个量子比特上的噪声可以单独降低。这虽然在实验上具有挑战性,但却会使处理数据问题时变得更加简单,从而更容易的估计无噪声结果。”

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