量子計算機之危:對噪聲非常敏感,噪聲可以迅速摧毀量子疊加態!

2020-11-22 網易新聞

來自CSC-IT科學中心、阿爾託大學和奧博·阿卡德的研究人員及其來自美國波士頓大學的合作者，首次系統地展示了噪音對量子計算的影響，其這項研究成果發表在《物理評論快報》期刊上。在經典計算機中，所有數據都被分解成取值為0和1的位序列，這兩個值對應於計算機處理單元和存儲器中數百萬個微小電子開關的「開」或「關」狀態。

根據量子力學原理，一個比特的概念可以概括為一個「量子比特」，量子比特它的狀態可以同時是0和1，也可以是許多不同的方式（疊加）。可以使用大量這樣的量子比特來建造量子計算機，這些量子比特必須使用全新的算法和語言進行編程。量子計算機理論上可能能夠解決在經典計算機上幾乎不可能解決的問題，例如，通過原子和電子水平的計算（這本身就需要使用量子力學）設計具有所需性質的新分子或材料。

量子計算機從一個主要在大學實驗室探索的理論概念，現在正迅速出現在商業舞臺上。可用的機器在很大程度上仍然是實驗性的，公司和研究機構用來探索潛在的應用，並為預期的「量子霸權」時代做準備，這意味著量子計算機變得比經典計算機更強大，至少在某些問題上是這樣。一個主要的挑戰是，量子比特對噪聲非常敏感，這些噪聲可以迅速摧毀它們的量子疊加態。

量子比特對噪音非常敏感

即使器件被冷卻到僅比絕對零度高几分之一度，以最小化熱環境引起的噪音，疊加態的壽命仍然非常短，通常不到1微秒。使用加拿大D-Wave Systems公司生產的一種量子計算機，可以用量子退火原理解決某些優化問題，在這裡，量子比特的量子屬性以這樣一種方式逐漸改變，最終它們「量子凍結」成為設備上編程的問題的解決方案。然而，這個過程在某種程度上對噪聲很敏感，這一點還沒有被很好地理解。

現在，來自三個芬蘭機構（CSC、阿爾託大學和阿博·阿卡德米大學）的一組研究人員和來自美國波士頓大學合作者首次系統地展示了噪音是如何影響計算的。通過改變量子比特的量子屬性改變時間（從微秒到毫秒），並研究D波設備中不同數量的耦合量子比，他們能夠確認缺陷產生的一般原理（意味著計算中的錯誤）。根據這一原理，計算時間越長，結果應該越好，但研究人員發現，時間越長，噪音對結果的負面影響越大。

通過數學模型解釋了這種行為，這將是診斷未來量子退火設備並找到操作它們最佳方式的有用工具。一旦噪聲量進一步降低，量子退火設備可能很快就會成為模擬物質量子行為的重要工具。CSC的團隊成員揚·奧斯特倫(Janstrm)說：該團隊的成功工作代表了芬蘭在量子計算量子退火範例方面的第一次重大研究努力。量子計算正在迅速發展，CSC正在計劃更多的項目，以促進芬蘭在這一關鍵科學技術前沿領域建立強大的能力。

博科園｜研究/來自：阿爾託大學

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