「新浪科技综合」量子计算的下一个超级大挑战新浪科技综合2020-08-07 14:57:200阅( 三 )
简单的纠错
在传统计算机中 ， 一个比特就是一个可以被设置为0或1的开关 。 为了保护一个比特 ， 计算机可以将它复制到其他比特上 。 如果噪声引起某个拷贝发生了翻转 ， 通过做奇偶校验 ， 计算机就能定位到错误：将一对比特进行对比 ， 看它们状态相同还是不同 。
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图4/7来源：C 。BICKEL/SCIENCE更糟糕的是 ， 量子力学还要求研究者蒙眼找错误 。 尽管量子比特可以处在0和1的叠加态上 ， 但根据量子力学 ， 实验者不可能在不引起塌缩的情况下测量这一叠加态 ， 测量总导致量子态向0或1中的某个状态塌缩：测量一个态就会消灭一个态！Kuperberg说：“最简单的纠错方法（经典纠错）就是把所有比特检查一遍 ， 看看哪里出错了 。 但如果是量子比特 ， 你就必须在不看它的情况下找出错误来 。 ”
这些障碍可能听起来难以逾越 ， 但量子力学又指出了可能的解决方案 。 研究者虽然不能复制一个量子比特的态 ， 但他们可以将其扩展到其他比特上去 ， 利用一种难以理解的量子关联——量子纠缠 。
量子纠错如何实现？
如何实现纠缠 ， 正显示了量子计算有多微妙 。 在微波的激励下 ， 一个初始量子比特与另一个处于0态的比特通过一个“控制非”（CNOT）门操作发生相互作用 。 当第一个量子比特处在1态时 ， CNOT门改变第二个比特的状态 ， 而当第一个比特处于0态时 ， 则保持第二个比特不变 。 尽管有相互作用 ， 但这个过程并没有对第二个量子比特做测量 ， 因此不会迫使它的量子态塌缩 。 相反 ， 这个过程保持了第一个量子比特的双向态 ， 并同时处在改变和不改变第二个量子比特的状态 ， 总之 ， 它让两个量子比特处在了同时为0和同时为1的叠加态 。
举例来说 ， 如果初始的量子比特处于30%的0和70%的1的叠加态 ， 我们可以将它与其他比特连成一个链 ， 比如三个量子比特共享一个纠缠态 ， 其中30%为全0 ， 70%为全1 。 这个态与初始比特的三个拷贝构成的态是不同的 。 实际上 ， 这三个纠缠的量子比特串中的任何一个比特独自来看都没有一个确切的态 ， 但它们完全关联起来了：如果你测量第一个比特而它塌缩到了1 ， 那么另外两个比特一定也同时塌缩到了1；反之亦然 ， 如果第一个塌缩到了0 ， 其他两个也同时塌缩到了0 。 这种关联是纠缠的本质所在 。
在这样一个更大的纠缠态中 ， 科学家们现在就可以留心错误的发生了 。 为了做到这点 ， 他们继续将更多的“辅助”量子比特与这个三比特链纠缠起来 ， 一个与第一、第二比特纠缠 ， 另一个则与第二和第三比特纠缠 。 之后再对辅助量子比特进行测量 ， 就像经典比特中的奇偶校验那样 。 比如说 ， 噪声可能将原先的三个编码比特中的一个翻转了 ， 于是它的0和1部分调换了 ， 改变了它们之间潜在的关联性 。 如果研究者把事情做好 ， 他们可以在辅助量子比特上做“稳定器”测量以探测这些关联 。
尽管测量辅助量子比特导致了它们状态的塌缩 ， 但并没有对编码比特造成影响 。 “这是经过特别设计的奇偶校验测量 ， 它不会导致编码在逻辑态中的信息塌缩” ， Roffe说 。 举例来说 ， 假如第一个辅助比特的测量结果为0 ， 它只说明了第一和第二编码比特的状态一定相同 ， 但并没告诉我们它们到底处在哪个态 ， 而如果辅助比特测量结果为1 ， 则表明编码比特肯定处于相反的态 ， 仅此而已 。 如果能在量子比特态趋于弥散之前迅速找到发生翻转的比特 ， 那就可以用微波将它再翻回原来的态并恢复其相干性 。
量子修正更困难
量子力学原理使得直接通过复制并测量量子比特（上）并检测错误不可行 。 物理学家想到的替代办法是将量子比特的态通过纠缠（中）分散到其他量子比特中去 ， 然后监测这些量子比特来探测错误 ， 发现错误后再通过操控让错误比特回到正确的态（下） 。
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图5/7越大越好
物理学家通过将量子比特与其他量子比特纠缠来放大量子比特态 ， 而不是复制 。 其结果是得到一个纠缠态 ， 对应各个量子比特处于球面上同一个点 。
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图6/7温和校正
如果噪声导致一个量子比特发生了翻转 ， 物理学家可以探测这一变化而不真正测量这个态 。 他们将一对主量子比特与其他辅助量子比特纠缠起来并测量这些辅助比特 ， 如果主量子比特之间的关联保持不变 ， 结果就应为0 ， 而如果发生了翻转 ， 测量结果就应为1 。 接下来就可以通过微波将量子比特再翻回去以恢复最初的纠缠态 。
这只是最基本的概念 。 一个量子比特态要比只是0和1的组合更为复杂 。 它同时还取决于这两部分是如何交织的 ， 换句话说 ， 它还依赖于一个抽象的角度 ， 也就是相位 。 这个相位角度可以从0°到360°之间变化 ， 它是波动干涉效应的关键 ， 而正是这种量子干涉赋予了量子计算机超强的能力 。 原理上 ， 任何量子比特态的错误可以被认为是比特翻转和相位翻转的某种组合 ， 比特翻转对应0和1发生交换 ， 而相位翻转对应于相位变化180度 。
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