新糾錯方法或可大幅削減未來量子計算機的量子比特需求

該設計利用規范理論處理量子信息，避免系統坍縮。

澳大利亞研究人員開發出一種新的量子糾錯方法，有望顯著減少構建量子計算機所需的量子比特數量。這項研究由悉尼大學理論量子物理學家多米尼克·威廉姆森博士領導，提出了一種應用規范理論的新穎方法。美國 IBM 公司為這項研究提供了支持。

IBM 已將該設計的部分元素納入其量子計算的長期規劃中。量子計算是一種新興技術，預計將在密碼學、材料科學、藥物研發和復雜系統建模等領域帶來突破。

然而，由于量子糾錯（QEC）的難題，從實驗室實驗過渡到實用且具備容錯能力的計算機仍是一大障礙。“我們正處在理論與實驗開始相互契合的階段，”威廉姆森指出。
“現在的大問題是如何設計能夠高效擴展、解決實際問題的量子計算機，”他補充道，“我們的工作提供了一個有前景的藍圖。”

一種新的量子比特策略

量子計算機的基本信息單元是量子比特，它們處于態的疊加之中，可以同時表示 0 和 1。

然而，量子態極其脆弱，容易受到噪聲和退相干的干擾。為了解決這一問題，科學家們使用量子糾錯——一種能夠識別并修復這些干擾所引發錯誤的算法。

但傳統方法需要大量的額外量子比特。“量子計算機的計算方式與經典計算機截然不同，”威廉姆森強調，“任何與環境之間的意外相互作用，都可能摧毀賦予量子計算機能力的量子效應。”

在該項目中，威廉姆森利用規范理論——一個協調局域相互作用與全局守恒定律的框架——找到了一種追蹤整個系統中全局量子信息活動的方法，類似于量子硬盤。

這使得在不迫使特定量子態在單個量子比特層面坍縮的情況下，也能監測量子活動。

“規范只是一種數學構造，為我們研究的任何定義好的系統提供一組局部坐標，”威廉姆森說，“對我們有用的是，規范理論允許在局域層面上對坐標系進行變換，而系統在物理上具有重要意義的全局屬性保持不變。”

修復錯誤

威廉姆森表示，這一想法源于粒子物理的標準模型，旨在更高效地減少量子計算中的錯誤。該方法使用一種將量子存儲器與邏輯處理器系統相連接的結構。

同時，引入合成的“規范式”自由度，以在不導致編碼量子態發生局域坍縮的情況下，測量全局邏輯信息。研究團隊利用擴展圖來安排這些自由度，以實現高效的擴展。

威廉姆森解釋說，規范理論引入了額外的自由度，能夠追蹤全局屬性，而無需迫使系統進入確定的局域狀態。“我們意識到，類似的想法可以用于處理局域量子信息，”他在新聞稿中總結道。

這項研究為具有糾錯能力的量子計算提供了一種靈活的設計，既能保持先進量子存儲器的高效率，又增加了處理能力。該系統避免了量子比特的過度冗余。

該研究已發表于《自然·物理學》期刊。

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