量子计算机之危：对噪声非常敏感，噪声可以迅速摧毁量子叠加态！

来自CSC-IT科学中心、阿尔托大学和奥博·阿卡德的研究人员及其来自美国波士顿大学的合作者，首次系统地展示了噪音对量子计算的影响，其这项研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。在经典计算机中，所有数据都被分解成取值为0和1的位序列，这两个值对应于计算机处理单元和存储器中数百万个微小电子开关的“开”或“关”状态。

根据量子力学原理，一个比特的概念可以概括为一个“量子比特”，量子比特它的状态可以同时是0和1，也可以是许多不同的方式（叠加）。可以使用大量这样的量子比特来建造量子计算机，这些量子比特必须使用全新的算法和语言进行编程。量子计算机理论上可能能够解决在经典计算机上几乎不可能解决的问题，例如，通过原子和电子水平的计算（这本身就需要使用量子力学）设计具有所需性质的新分子或材料。

量子计算机从一个主要在大学实验室探索的理论概念，现在正迅速出现在商业舞台上。可用的机器在很大程度上仍然是实验性的，公司和研究机构用来探索潜在的应用，并为预期的“量子霸权”时代做准备，这意味着量子计算机变得比经典计算机更强大，至少在某些问题上是这样。一个主要的挑战是，量子比特对噪声非常敏感，这些噪声可以迅速摧毁它们的量子叠加态。

量子比特对噪音非常敏感

即使器件被冷却到仅比绝对零度高几分之一度，以最小化热环境引起的噪音，叠加态的寿命仍然非常短，通常不到1微秒。使用加拿大D-Wave Systems公司生产的一种量子计算机，可以用量子退火原理解决某些优化问题，在这里，量子比特的量子属性以这样一种方式逐渐改变，最终它们“量子冻结”成为设备上编程的问题的解决方案。然而，这个过程在某种程度上对噪声很敏感，这一点还没有被很好地理解。

现在，来自三个芬兰机构（CSC、阿尔托大学和阿博·阿卡德米大学）的一组研究人员和来自美国波士顿大学合作者首次系统地展示了噪音是如何影响计算的。通过改变量子比特的量子属性改变时间（从微秒到毫秒），并研究D波设备中不同数量的耦合量子比，他们能够确认缺陷产生的一般原理（意味着计算中的错误）。根据这一原理，计算时间越长，结果应该越好，但研究人员发现，时间越长，噪音对结果的负面影响越大。

通过数学模型解释了这种行为，这将是诊断未来量子退火设备并找到操作它们最佳方式的有用工具。一旦噪声量进一步降低，量子退火设备可能很快就会成为模拟物质量子行为的重要工具。CSC的团队成员扬·奥斯特伦(Janäström)说：该团队的成功工作代表了芬兰在量子计算量子退火范例方面的第一次重大研究努力。量子计算正在迅速发展，CSC正在计划更多的项目，以促进芬兰在这一关键科学技术前沿领域建立强大的能力。

博科园｜www.bokeyuan.net

博科园｜研究/来自：阿尔托大学

参考期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.090502

博科园｜科学、科技、科研、科普

关注【博科园】看更多大美宇宙科学