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新的纠错码为通用量子计算开辟了新的途径

作者:admin    来源:互联网    发布时间:2020-06-27 03:24    浏览量:

一名在澳大利亚工作的英国科学家发现了一种方法,将三维代码应用到二维的量子误差校正框架中

世界各地的政府机构和大学,更不用说像IBM、谷歌和微软这样的科技巨头,都在争先恐后地回答一个万亿美元的量子问题:当量子计算机仍然无法始终如一地产生可靠且没有错误的结果时,它们才能发挥其巨大的潜力?

这些奇异机器的每一个方面,包括它们的脆弱性和工程复杂性;它们荒谬的无菌、低温操作环境;复杂的数学;以及它们的害羞量子比特,如果一个操作员对它们眨眨眼,就会翻转,这些都是潜在的错误来源。

这充分说明了科学家和工程师们的聪明才智,他们已经找到了检测和纠正这些错误的方法,并使量子计算机工作到至少足够长的时间,以便在错误累积和量子位元的量子退相干开始之前产生有限的结果。

抑制错误的方法可以将许多硬件从错误纠正中解放出来,并允许计算机继续做有用的事情。”

当涉及到量子操作中产生的误差修正时,一种称为表面码的误差修正方法引起了人们的广泛关注。这是因为它的健壮性和它非常适合放在二维平面上(这使得它可以放在芯片上)。

表面码利用称为纠缠(量子连接性)的现象,使单个量子位能够与晶格布局上的其他量子位共享信息。好处:当量子位被测量时,它们会揭示相邻量子位中的错误。

为了让量子计算机处理复杂的任务,纠错码需要能够执行量子门操作;这些是对量子比特信息执行的小逻辑操作,当组合起来时,可以运行算法。经典的计算类比是与门、异或门等。

物理学家描述了实现通用计算所必需的两种量子门操作(以其不同的数学方法区分)。其中之一,Clifford门集,必须与魔法状态蒸馏(magic state distrivation)结合使用,魔法状态蒸馏是一种净化协议,它使用多个噪声量子状态来执行非Clifford门操作。

此图说明了随着时间的推移,一个表面代码在另两个表面代码下面滑动的阶段性进展。在每个步骤中,这三个代码相互作用,因为底部代码被传递到另两个下面,从而生成二维门。

悉尼大学物理学院(University of Sydney's School of Physics)的EQUS研究员本杰明·布朗(Benjamin Brown)说:“如果没有神奇的状态蒸馏或类似的方法,量子计算机就像没有除法按钮的电子计算器;它们的功能是有限的。

然而,Clifford和非Clifford门的结合可能会让人望而却步,因为它消耗了量子计算机的大量资源,几乎没有剩下的资源来处理手头的问题。”

为了克服这一问题,Brown提出了一种新型的非Clifford门误差修正方法,消除了塔顶重蒸馏的需要。5月22日,他在《科学进展》杂志上发表了一篇关于这一进展的论文。

布朗解释说:“考虑到人们理解不可能使用二维代码(如表面代码)来完成非Clifford门的工作,我使用了三维代码,并将其应用到物理二维表面代码方案中,使用时间作为三维。”。“这为我们提供了前所未有的可能性。”

非Clifford门使用三个重叠的表面代码副本,这些代码在一段时间内进行局部交互。这是通过获取三维曲面代码的薄片并将其折叠到二维空间来实现的。这一过程在即时量具固定的帮助下一遍又一遍地重复,这是一种将二维切片堆叠到芯片上的过程,以及处理任何出现的错误的过程。在一段时间内,三个表面码复制了能够执行非Clifford门函数的三维码。

布朗说:“我已经证明这在理论上,数学上都是可行的。” “下一步是模拟代码,并查看其在实践中的效果。”

Microsoft Quantum的高级研究员Michael Beverland 评论了这项研究:“ Brown的论文探索了一种令人兴奋的,奇异的方法来执行容错量子计算。它指出了在无需蒸馏的情况下潜在地在两个空间维度上实现通用量子计算的方法-许多研究人员认为这是不可能的。”

布朗指出,在制造能够解决有用问题的机器之前,减少量子计算中的错误是科学家面临的最大挑战之一。“我抑制错误的方法可以使许多硬件免于纠错,并使计算机继续从事有用的工作。

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