如何克服量子计算中的噪声
发布时间：2023-04-07 08:00:00 阅读数： 198
环境噪声，在这里表示为一个小恶魔，可以通过以不可预测的方式改变其波函数的各个分支的相位来影响量子计算机的状态；我们称之为去相位。在这里，时钟指针的位置代表波函数的一个特定分支的相位。它的修改，我们不知道，将影响量子计算所依赖的相位重组的微妙芭蕾。资料来源：L. Lami
研究人员Ludovico Lami（阿姆斯特丹大学QuSoft）和Mark M. Wilde（康奈尔大学）在量子计算方面取得了重大进展，得出了一个预测环境噪声影响的公式。这对于设计和建造能够在我们不完美的世界中工作的量子计算机至关重要。
量子计算使用量子力学的原理来进行计算。与经典计算机不同，经典计算机使用的比特可以是0或1，而量子计算机使用的是量子比特，或称量子比特，可以同时处于0和1的叠加状态。
这使得量子计算机执行某些类型的计算比经典计算机快得多。例如，量子计算机可以用经典计算机的一小部分时间来计算非常大的数字。
虽然人们可以天真地把这种优势归结为量子计算机能够并行地进行许多计算，但现实却更加复杂。量子计算机的量子波函数（代表其物理状态）拥有几个分支，每个分支都有自己的相位。一个相位可以被认为是一个钟的指针的位置，它可以指向钟面上的任何方向。
在计算结束时，量子计算机将它同时在波函数的不同分支上进行的所有计算结果重新组合为一个单一的答案。"拉米解释说："与不同分支相关的相位在决定这个重组过程的结果中起着关键作用，就像芭蕾舞演员的舞步时间在决定芭蕾舞表演的成功中起着关键作用。
光线可以通过不同的路径穿过光纤。不可能知道一条光线所走的确切路径，这导致了有效的消隐噪声。资料来源：L. Lami
破坏性的环境噪音
量子计算的一个重要障碍是环境噪声。这种噪声可以比喻为一个小恶魔，它以不可预测的方式改变了波函数不同分支的相位。这种篡改量子系统相位的过程被称为去相位，会对量子计算的成功产生不利影响。
去相位可以发生在日常设备中，如光纤，它被用来以光的形式传输信息。穿过光纤的光线可以采取不同的路径；由于每条路径都与一个特定的相位相关，不知道所采取的路径就相当于一个有效的去相位噪声。
在他们发表在《自然-光子学》上的新文章中，拉米和威尔德分析了一个模型，称为玻色消隐通道，以研究噪声如何影响量子信息的传输。它代表了作用于确定波长和偏振的单一模式的光的去相位。
量化噪声对量子信息影响的数字是量子容量，即每次使用光纤可以安全传输的量子比特的数量。新的出版物为计算玻色消隐通道的量子容量问题提供了一个完整的分析方案，适用于所有可能的消隐噪声形式。
较长的信息可以克服错误
为了克服噪音的影响，人们可以在信息中加入冗余，以确保量子信息在接收端仍然可以被检索到。这类似于在打电话时说 "Alpha, Beta, Charlie "而不是 "A, B, C"。虽然传输的信息较长，但冗余度确保了信息被正确理解。
这项新的研究准确地量化了一个量子信息需要添加多少冗余来保护它不受去相位噪声的影响。这具有重要意义，因为它使科学家能够量化噪声对量子计算的影响，并开发出克服这些影响的方法。
参考资料
Ludovico Lami, Exact solution for the quantum and private capacities of bosonic dephasing channels, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01190-4. www.nature.com/articles/s41566-023-01190-4
