有用的量子網(wǎng)絡(luò)會(huì)受到環(huán)境“噪聲”的退相干問題的阻礙。但一項(xiàng)新的突破可能會(huì)改變這一點(diǎn)。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種突破性的方法來保護(hù)量子信息不受“噪音”的影響，這最終可以讓我們建造實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。
量子計(jì)算機(jī)依賴于量子糾纏，即兩個(gè)粒子的量子特性之間的聯(lián)系，這兩個(gè)粒子在瞬間跨越時(shí)間和空間共享。這使得量子計(jì)算機(jī)能夠比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行更快的計(jì)算，因?yàn)樗鼈兛梢圆⑿卸皇前错樞蛱幚硇畔ⅰ?/p>
但是，由于來自外部世界的“噪聲”，保持這種“相干性”是困難的，因?yàn)榕c松散粒子、光線甚至微小的溫度變化的相互作用都會(huì)打破糾纏并分散內(nèi)部的信息。這就是為什么在經(jīng)典計(jì)算中，量子比特的錯(cuò)誤率比傳統(tǒng)比特高得多。
“基本上，即使公司聲稱（他們有）1000個(gè)量子比特，但其中很少有有用的。噪音是原因，”該研究的合著者、南非約翰內(nèi)斯堡威特沃特斯蘭德大學(xué)的物理學(xué)教授安德魯·福布斯告訴我們。“每個(gè)人都同意，除非我們能減少量子比特的噪音，否則推動(dòng)更多量子比特是沒有意義的?！?/p>
現(xiàn)在，通過對(duì)兩個(gè)糾纏光子的拓?fù)湫畔ⅲɑ蛟从谛螤畹膶傩裕┻M(jìn)行編碼，一組物理學(xué)家已經(jīng)找到了一種即使在噪音風(fēng)暴中也能保存量子信息的方法。研究人員在3月26日的《自然通訊》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。
就像傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)比特是數(shù)字信息的基本單位一樣，量子位對(duì)量子信息進(jìn)行編碼。像比特一樣，量子位可以以1或0的形式存在，代表兩態(tài)系統(tǒng)中的兩種可能的位置。
由于量子世界的奇異規(guī)則，量子比特在理論上也可以存在于兩種經(jīng)典狀態(tài)的無限疊加態(tài)中。當(dāng)它們與量子計(jì)算機(jī)糾纏在一起時(shí)，它們處理數(shù)字的能力就會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長。
但這條量子菊花鏈?zhǔn)谴嗳醯模杭词贡话仓迷跇O冷和高度絕緣的低溫恒溫器中，目前的量子計(jì)算機(jī)仍然會(huì)受到微小干擾的滲透，這些干擾會(huì)迅速破壞內(nèi)部的微妙過程。
量子噪聲消除
防止量子退相干的典型策略是保持糾纏，但迄今為止這只取得了相對(duì)的成功。為了尋找解決這個(gè)問題的方法，這項(xiàng)新研究的研究人員試圖在已經(jīng)部分去相干的系統(tǒng)中保存信息。
安德魯·福布斯說：“我們決定讓纏結(jié)衰減 —— 它總是很脆弱的，所以順其自然吧 —— 即使纏結(jié)很少，我們也要保留信息?！?/p>
為了解決這個(gè)問題，福布斯和他的同事們轉(zhuǎn)向了一種被稱為“拓?fù)?/a>量子比特”的量子比特，它以兩個(gè)糾纏粒子形成的形狀編碼信息。他們選定了一種被稱為“光斯格明子”的準(zhǔn)粒子，這是一種在兩個(gè)糾纏光子之間形成的波狀場(chǎng)。
在將斯格明子暴露在不同程度的噪音中后，研究人員發(fā)現(xiàn)，編碼在其中的模式和信息保持彈性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了非拓?fù)湎到y(tǒng)的退相干點(diǎn)。
“事實(shí)證明，只要一些糾纏仍然存在，無論多么小，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都保持完整，”福布斯說?！爸挥挟?dāng)糾纏消失時(shí)，拓?fù)洳艜?huì)消失?！?/p>
科學(xué)家們相信，他們的方法可以在制造量子計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，這些量子計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)可以在任何環(huán)境中克服噪音。他們的下一步將是創(chuàng)建一個(gè)“拓?fù)涔ぞ甙?，可以將?shí)用信息編碼到斯格明子中，并再次將其提取出來。
“一旦我們有了這個(gè)，我們就可以開始考慮在實(shí)際情況下使用拓?fù)?，比如通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算，”福布斯說。
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