科学家成功模拟了"不可能"——容错量子编码终被破解

量子计算机具备解决当今超级计算机无法处理的复杂问题的潜力。在可预见的未来，量子技术的计算能力有望彻底改变医学、能源、加密、人工智能和物流等领域的基础问题解决方式。

尽管前景广阔，该技术仍面临重大挑战：需要纠正量子计算中产生的错误。虽然传统计算机也会出现错误，但这些问题可以通过成熟技术快速可靠地修正。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模拟（或模仿）这些计算。其中特别重要的是模拟能够抵抗干扰并有效纠错的量子计算类型。然而，量子计算的巨大复杂性使得此类模拟极具挑战性——在某些情况下，即便是全球最强大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团队首次提出了一种精确模拟特定类型量子计算的方法，该计算特别适合纠错但此前极难模拟。这一突破解决了量子研究领域的长期挑战。

"我们发现了一种模拟特定量子计算的新方法，此前的方法对此类计算效果不佳。这意味着我们现在可以模拟采用容错纠错码的量子计算，这对未来构建更强大、更稳定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》研究的第一作者卡梅伦·卡尔克卢斯表示。

纠错量子计算——艰巨而关键

量子计算机纠错能力有限源于其基本构建模块——量子比特（qubit）。量子比特虽具备巨大计算潜力，但也极其敏感。量子计算机的计算能力依赖于量子叠加现象，即量子比特可同时保持1和0的状态，以及任何中间态的任意组合。每增加一个量子比特，计算能力呈指数级增长，但代价是其对外界干扰极度敏感。

"环境中最轻微的振动、电磁辐射或温度变化都可能导致量子比特计算错误，甚至丧失量子态（相干性），从而失去持续计算能力，"卡尔克卢斯解释道。

为解决这个问题，研究人员使用纠错码将信息分布到多个子系统，从而在不破坏量子信息的情况下检测和纠正错误。其中一种方法是将量子比特的信息编码到振动量子力学系统的多个（可能是无限的）能级中，这被称为玻色编码。然而，由于涉及多个能级，模拟采用玻色编码的量子计算尤其困难——直到现在，研究人员仍无法用传统计算机可靠模拟。

新型数学工具成为解决方案关键

研究人员开发的方法包含一种算法，能够模拟使用Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）编码（一种玻色编码）的量子计算。该编码常用于量子计算机的主流实现方案。

"这种编码存储量子信息的方式使量子计算机更容易纠正错误，从而降低其对噪声和干扰的敏感性。由于GKP编码的深层次量子力学特性，用传统计算机模拟一直极其困难。但现在我们终于找到了一种比以往方法更有效的独特实现方式，"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。

研究团队通过创建新型数学工具，成功将该编码应用于算法。得益于新方法，研究人员现在能更可靠地测试和验证量子计算机的计算结果。

"这开辟了全新的量子计算模拟途径，我们此前无法测试这些计算，但它们对构建稳定且可扩展的量子计算机至关重要，"费里尼强调。

研究详情

论文《具有真实奇维Gottesman-Kitaev-Preskill态的电路经典模拟》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。研究人员分别来自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。