科学家刚刚模拟了“不可能”——容错量子编码终于被破解

量子计算机具有解决当今任何超级计算机都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发生错误，但这些错误可以使用成熟的技术在引发问题前快速可靠地纠正。相比之下，量子计算机的错误率要高得多，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。因此，研究人员特别感兴趣的一类量子计算模拟是能够抵抗干扰并有效纠正错误的计算。然而，量子计算的巨大复杂性使得此类模拟要求极高——在某些情况下，即使全球最强大的传统超级计算机也需要耗费相当于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，现已成为全球首个提出精确模拟特定类型量子计算方法的研究团队。该方法特别适用于错误纠正，但迄今为止一直难以模拟。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量子计算的途径，而此前的方法对此并不有效。这意味着我们现在能够模拟采用容错纠错码的量子计算，这对于未来构建更强大、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》研究的第一作者卡梅伦·卡尔克卢斯 (Cameron Calcluth) 表示。

纠错量子计算——要求苛刻但至关重要

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）。量子比特具有巨大的计算潜力，但也高度敏感。量子计算机的计算能力依赖于量子叠加现象，这意味着量子比特可以同时保持1和0的值，以及所有中间态的任何组合。每增加一个量子比特，计算能力呈指数级增长，但代价是它们对干扰极度敏感。

"环境中最轻微的噪音，如振动、电磁辐射或温度变化，都可能导致量子比特计算错误，甚至丧失其量子态（即相干性），从而丧失继续计算的能力，"卡尔克卢斯解释道。

为解决此问题，需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并纠正错误。一种方法是将一个量子比特的量子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 (bosonic code)。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，研究人员此前无法使用传统计算机可靠地模拟它们——直到现在。

新数学工具是研究人员解决方案的关键

研究人员开发的方法包含一种算法，能够模拟使用一种名为戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基尔 (Gottesman-Kitaev-Preskill, GKP) 编码的玻色编码的量子计算。该编码常用于量子计算机的领先实现中。

"其存储量子信息的方式使得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。由于其深刻的量子力学特性，使用传统计算机模拟GKP编码一直极其困难。但现在我们终于找到了一种独特的方法，能比以往方法更有效地进行模拟，"查尔姆斯理工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) 表示。

研究人员通过创建一种新的数学工具，成功地将该编码应用于其算法中。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。

"这开辟了模拟量子计算的全新途径，这些计算我们此前无法测试，但对于构建稳定且可扩展的量子计算机至关重要，"费里尼说。

关于研究的更多信息

题为《使用现实奇维戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基尔态的电路经典模拟》(Classical simulation of circuits with realistic odd-dimensional Gottesman-Kitaev-Preskill states) 的文章已发表于《物理评论快报》。作者为卡梅伦·卡尔克卢斯 (Cameron Calcluth)、朱莉娅·费里尼 (Giulia Ferrini)、奥利弗·哈恩 (Oliver Hahn)、胡安尼·贝尔梅霍-维加 (Juani Bermejo-Vega) 和亚历山德罗·费拉罗 (Alessandro Ferraro)。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和日本东京大学。