量子資訊的雙重護盾:拓撲動力學解耦

量子計算機具有強大的計算能力,為什麼還不能實用?是操控誤差和環境噪聲影響了量子計算的研發!幸運的是,科學家已經找到了克服它們的理論方法。當操控誤差和環境噪聲導致的錯誤發生機率小於某個閾值的時候,我們可以用糾錯的方式來發現和改正這些錯誤。要強調的是,錯誤機率必須要小。這就好像醫生治病,病情不特別嚴重才容易治癒。古時候醫療水平低,一些小病就能要人命,而現在醫療技術進步了,許多疾病都能治療了。

動力學解耦和拓撲量子糾錯碼是實現容錯量子計算的兩種不同方案。拓撲量子糾錯碼,如表面碼(surface code),將量子資訊儲存在拓撲不變數對應的自由度上。動力學解耦則透過在量子位元上施加解耦脈衝來消除產生噪聲的相互作用。它們基於不同的原理來消除噪聲,一般不能同時使用。

北京量子資訊科學研究院和清華大學薛其坤院士和張江、於曉東、龍桂魯等最近提出了一種將動力學解耦和拓撲量子糾錯碼結合的方案,同時使用這兩種技術來雙重保護量子資訊

。他們的工作最近發表在Science China-Physics Mechanics & Astronomy2019年第12期的Editor’s Focus欄目[1],同期發表了

謝心澄

主編撰寫的點評文章[2]。

量子資訊的雙重護盾:拓撲動力學解耦

在該文中,

他們首次提出了利用量子位元在空間排列的拓撲結構來設計解耦序列

。當量子位元排列在環面網格上,根據其拓撲等價類設計的解耦方案與拓撲表面碼相容,可同時使用動力學解耦和拓撲量子糾錯保護量子位元,從而大幅度降低了出現錯誤的機率,使得量子糾錯更容易實現。

名詞 解釋

1

容錯量子計算

:容錯量子計算的基本理念是經過良好設計的量子線路不會將位元上產生的誤差傳遞到其他位元上。針對量子糾錯碼的情形,容錯量子計算要求位元上產生的任何一個誤差最多導致一個邏輯位元上輸出的改變。

2

動力學解耦

:量子位元不可避免的與周圍的環境產生相互作用,導致位元產生退相干。動力學解耦透過在位元上施加週期性的么正操作將位元和環境間的相互作用消除掉,從而保護量子位元不受環境噪聲干擾。

3

量子糾錯碼

:單個量子位元上很容易出現誤差,如果不能及時發現和改正這些誤差,會導致計算結果出現錯誤。量子糾錯碼把量子資訊儲存在由多個位元組成的邏輯位元中,當位元上出現誤差的時候,可以透過測量的方式發現它們,並加以改正。

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