研究人员完成量子模拟壮举
量子计算机在实现实际用例的道路上仍然面临一个主要障碍：它们纠正出现的计算错误的能力有限。 为了开发真正可靠的量子计算机，研究人员必须能够使用传统计算机模拟量子计算以验证其正确性——这是一项至关重要但极其困难的任务。 现在，来自瑞典查尔姆斯理工大学、米兰大学、格拉纳达大学和东京大学推出了一种模拟特定类型纠错量子计算的方法，这是对稳健量子技术的追求的重大飞跃。 量子计算机有潜力解决当今任何超级计算机都无法处理的复杂问题。 在可预见的未来，量子技术的计算能力有望彻底改变解决医学、能源、加密、人工智能和物流等问题的基本方法。 尽管 这些承诺，该技术面临着一个重大挑战：需要纠正量子计算中出现的错误。 虽然传统计算机也会遇到错误，但可以在问题引起问题之前使用成熟的技术快速可靠地纠正这些错误。 相比之下，量子计算机容易出现更多的错误，这些错误也更难检测和纠正。 量子系统仍然不具有容错能力，因此还不完全可靠。 至验证量子计算的准确性，研究人员使用传统计算机模拟或模仿计算。 因此，研究人员有兴趣模拟的一种特别重要的量子计算类型是一种能够承受干扰并有效纠正错误的量子计算类型。 然而，量子计算的巨大复杂性使得此类模拟要求极高——以至于在某些情况下，即使是世界上最好的传统超级计算机也会以宇宙的年龄来再现结果。 来自查尔姆斯理工大学、米兰大学、格拉纳达大学和东京大学的 研究人员现已成为世界上第一个提出一种精确模拟某种量子计算的方法的人，该方法特别适合纠错，但迄今为止 很难模拟。 这一突破解决了量子研究中长期存在的挑战。 “我们发现了一种模拟特定类型的量子计算的方法，而以前的方法并不有效。 这意味着我们现在可以使用用于容错的纠错码来模拟量子计算，这对于未来能够构建更好、更强大的量子计算机至关重要，“查尔默斯应用量子物理学博士、最近发表的一项研究的第一作者卡梅伦·卡尔克鲁斯说物理学 审查信。 纠错量子计算 - 要求高但至关重要的 量子计算机纠正错误的能力有限源于其基本构建块——量子比特——量子比特具有巨大的计算能力潜力，但也高度敏感。 量子计算机的计算能力依赖于叠加的量子力学现象，这意味着量子比特可以同时以任意组合容纳值 1 和 0 以及所有中间状态。 计算容量随着每个量子比特的增加呈指数级增长，但代价是它们对干扰的极易感性。 “周围环境以振动、电磁辐射或温度变化的形式发出的最轻微的噪音都可能导致量子比特错误计算，甚至失去其量子态和相干性，从而也失去继续计算的能力，”Calcluth 说。 为了解决这个问题，纠错码用于分发跨多个子系统的信息，允许在不破坏量子信息的情况下检测和纠正错误。 一种方法是将量子比特的量子信息编码为振动量子力学系统的多个（可能是无限的）能级。 这称为玻色子代码。 然而，由于存在多个能级，使用玻色子码模拟量子计算尤其具有挑战性，研究人员一直无法可靠地模拟它们使用传统计算机 - 直到现在。 研究人员解决方案中的新数学工具关键 研究人员开发的方法包括一种能够模拟量子计算的算法，该算法使用一种称为 Gottesman-Kitaev-Preskill （GKP） 代码的玻色子代码。 该代码通常用于量子计算机的领先实现。 “它存储量子信息的方式使量子计算机更容易纠正错误，这反过来又使它们对噪音和干扰不太敏感。 由于其深度量子力学性质，GKP 代码很难使用传统计算机进行模拟。 但现在我们终于找到了一种独特的方法，可以比以前的方法更有效地做到这一点，“查尔默斯大学应用量子物理学副教授、该研究的合著者朱莉娅·费里尼 （Giulia Ferrini） 说。 研究人员通过创建一种新的数学工具，设法在他们的算法中使用了这些代码。 由于新方法，研究人员现在可以更可靠地测试和验证量子计算机的计算。 “这开辟了模拟量子计算的全新方法，我们以前无法测试这些方法，但对于构建稳定且可扩展的量子计算机至关重要，”Ferrini 说。 有关研究的更多信息 文章具有现实奇维 Gottesman-Kitaev-Preskill 状态的电路的经典仿真已发表在《物理评论》上函件。 作者是 Cameron Calcluth、Giulia Ferrini、Oliver Hahn、Juani Bermejo-Vega 和 Alessandro Ferraro。 研究人员活跃于瑞典查尔姆斯理工大学、意大利米兰大学、西班牙格拉纳达大学和日本东京大学。