科学家成功模拟"不可能"任务——容错量子编码终被破解

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改变医学、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，但其错误可在引发问题前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，且错误更难检测和纠正。量子系统尚不具备容错能力，因此未完全可靠。

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。因此研究人员特别关注模拟一类能抵抗干扰并有效纠错的量子计算。然而，量子计算的巨大复杂性使此类模拟需求极高——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，如今率先提出一种方法，可精确模拟一种特别适合纠错但迄今极难模拟的量子计算类型。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类型的方法，此前的方法对此并不奏效。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·卡尔克拉思表示。

纠错量子计算——要求严苛却至关重要

量子计算机纠错能力有限源于其基本构建单元——量子比特（qubit）。量子比特蕴藏巨大计算潜力，但同时也高度敏感。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的值以及所有中间态的任何组合。计算能力随量子比特数量增加呈指数级增长，但代价是它们极易受干扰影响。

"环境中最轻微的噪音——无论是振动、电磁辐射还是温度变化——都可能导致量子比特计算出错，甚至丧失其量子态（即相干性），从而失去继续计算的能力，"卡尔克拉思解释道。

为解决此问题，纠错码用于将信息分布到多个子系统，从而可在不破坏量子信息的前提下检测并纠正错误。一种方法是将量子比特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——此前研究人员无法通过传统计算机可靠模拟此类计算，直到现在才取得突破。

新型数学工具成为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，能模拟使用称为戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基尔（GKP）编码的玻色编码类型进行的量子计算。该编码常用于量子计算机的主流实现中。

"其存储量子信息的方式使量子计算机更易纠正错误，从而降低对噪音和干扰的敏感性。由于其深刻的量子力学特性，GKP编码使用传统计算机模拟极其困难。但现在我们终于找到了一种独特方法，其效率远超以往方法，"该研究合著者、查尔姆斯理工大学应用量子物理学副教授朱莉娅·费里尼表示。

研究人员通过创建新型数学工具，成功将该编码应用于算法中。得益于此新方法，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。

"这为我们开启了模拟量子计算的全新途径，此类计算以往无法测试，但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

研究论文《采用现实奇维数戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基尔态的电路经典模拟》发表于《物理评论快报》。作者包括卡梅伦·卡尔克拉思、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。