科学家成功模拟了“不可能”——容错量子编码终获破解

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革新医学、能源、加密、人工智能和物流等领域解决问题的根本方式。

尽管前景广阔，该技术仍面临一个重大挑战：需要纠正量子计算中产生的错误。虽然传统计算机也会出错，但这些问题可以通过成熟的技术在引发故障前快速可靠地修正。相比之下，量子计算机的错误率更高，且更难检测和纠正。量子系统目前仍不具备容错能力，因此尚未完全可靠。

为验证量子计算的准确性，研究人员使用传统计算机对计算过程进行模拟（或称模仿）。因此研究人员特别关注模拟一类能够抵抗干扰并有效纠正错误的量子计算。然而，量子计算的极度复杂性使得此类模拟要求极高——在某些情况下，即使全球最顶尖的传统超级计算机也需要耗费宇宙年龄的时间才能复现结果。

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，在全球首次提出了一种方法，可精准模拟某种特别适用于纠错但至今难以模拟的量子计算类型。该突破攻克了量子研究领域的长期挑战。

"我们发现了一种模拟特定类型量子计算的新途径，而此前的方法均未奏效。这意味着我们现在能模拟采用容错纠错码的量子计算，这对未来构建更优、更稳健的量子计算机至关重要，"查尔姆斯理工大学应用量子物理学博士、近期发表于物理评论快报的研究第一作者卡梅伦·卡尔克卢斯表示。

纠错量子计算——要求严苛却至关重要

量子计算机有限的纠错能力源于其基本构建单元——量子位。量子位虽蕴藏巨大计算潜力，却具有高度敏感性。量子计算机的计算能力依赖于量子叠加现象，即量子位可同时保持1和0的数值以及所有中间态的任何组合。每增加一个量子位，计算能力呈指数级增长，但代价是其对外界干扰极度敏感。

"环境中最微弱的噪声——无论是振动、电磁辐射还是温度变化——都可能导致量子位计算错误，甚至丧失其量子态（即量子相干性），从而丧失持续计算能力，"卡尔克卢斯解释道。

为解决此问题，纠错码被用于将信息分布到多个子系统，从而能在不破坏量子信息的前提下检测并纠正错误。一种方法是将量子位的量子信息编码到振动量子力学系统的多个（可能无限的）能级中，这被称为玻色子代码。然而，由于涉及多能级特性，模拟采用玻色子代码的量子计算尤为困难，研究人员一直无法用传统计算机可靠模拟——直至此刻。

新型数学工具成为研究突破关键

研究人员开发的方法包含一种算法，能够模拟使用特定玻色子代码（称为高斯曼-基塔耶夫-普雷斯基尔编码/GKP编码）的量子计算。该编码常用于量子计算机的主流实现方案。

"其存储量子信息的方式使量子计算机更易纠正错误，从而降低对噪声和干扰的敏感性。由于GKP编码具有深刻的量子力学本质，用传统计算机模拟一直极其困难。但现在我们终于找到了比以往方法更有效的独特模拟途径，"查尔姆斯理工大学应用量子物理学副教授、研究合著者朱莉娅·费里尼表示。

研究人员通过创建新数学工具，成功将该编码应用于算法。得益于新方法，研究者现能更可靠地测试和验证量子计算机的计算结果。

"这为模拟量子计算开辟了全新路径——过去无法测试但对构建稳定且可扩展的量子计算机至关重要的计算，如今得以验证，"费里尼强调。

研究详情

题为《含现实奇维高斯曼-基塔耶夫-普雷斯基尔态的电路经典模拟》的论文发表于《物理评论快报》。作者包括卡梅伦·卡尔克卢斯、朱莉娅·费里尼、奥利弗·哈恩、胡安尼·贝尔梅霍-维加和亚历山德罗·费拉罗。研究人员分别任职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及日本东京大学。