量子計(jì)算機(jī)程序具有“通用性”？基于拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼的量子計(jì)算機(jī)

不管量子計(jì)算機(jī)的內(nèi)部是由什么組成，量子計(jì)算機(jī)的快速計(jì)算都可以歸結(jié)為應(yīng)用于量子比特的簡(jiǎn)單指令序列，即量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部的基本信息單位。無論這臺(tái)計(jì)算機(jī)是由離子鏈、超導(dǎo)體結(jié)還是硅片組成，事實(shí)證明，一次只影響一個(gè)或兩個(gè)量子比特的幾個(gè)簡(jiǎn)單操作，就可以混合搭配起來創(chuàng)建任何量子計(jì)算機(jī)程序：這一特征使特定的幾個(gè)量子計(jì)算機(jī)程序具有“通用性”。

科學(xué)家們稱這些簡(jiǎn)單的操作為量子門，并花了數(shù)年時(shí)間來優(yōu)化量子門安裝在一起的方式，而且已經(jīng)大幅削減了給定計(jì)算所需量子門和量子比特的數(shù)量，并發(fā)現(xiàn)了如何在確保錯(cuò)誤不會(huì)悄悄進(jìn)入并導(dǎo)致失敗的同時(shí)完成所有這些工作?，F(xiàn)在，馬里蘭大學(xué)聯(lián)合量子研究所（JQI）的科學(xué)家，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)只使用固定數(shù)量的簡(jiǎn)單構(gòu)建塊，就可以實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固耐錯(cuò)量子門的方法：基本上在一個(gè)稱為電路深度的參數(shù)上實(shí)現(xiàn)了可能的最佳減少。

其研究結(jié)果適用于基于拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼的量子計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》和《物理評(píng)論B》期刊上的兩篇研究論文中報(bào)道了這一發(fā)現(xiàn)，并在發(fā)表在《量子》(Quantum)雜志上的第三篇論文中進(jìn)行了擴(kuò)展。電路深度計(jì)算影響每個(gè)量子比特量子門的數(shù)量，而恒定的深度意味著給定操作所需的量子門數(shù)量不會(huì)隨著計(jì)算機(jī)的增長而增加：如果要控制錯(cuò)誤，這是必需的。

量子比特量子門

馬里蘭大學(xué)聯(lián)合量子研究所（JQI）研究員、馬里蘭大學(xué)(UMD)物理學(xué)副教授邁薩姆·巴爾克什利(Maissam Barkehli)表示：對(duì)于穩(wěn)定和通用的量子計(jì)算機(jī)來說，這是一個(gè)有希望的功能。研究發(fā)現(xiàn)物質(zhì)拓?fù)鋺B(tài)和拓?fù)浼m錯(cuò)碼中的一大類運(yùn)算，可以通過恒定深度的么正電路來實(shí)現(xiàn)。與其他類型的量子計(jì)算機(jī)不同，建立在拓?fù)浼m錯(cuò)基礎(chǔ)上的量子計(jì)算機(jī)（到目前為止只在理論上進(jìn)行了研究）不會(huì)將信息存儲(chǔ)在單個(gè)物理量子比特中。

取而代之的是，它們將單個(gè)量子比特的信息涂抹在由許多量子比特組成的網(wǎng)絡(luò)中-或者，更奇異的是，跨越特殊的拓?fù)洳牧?。這種信息涂抹提供了抵御雜散光點(diǎn)或微小振動(dòng)（可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的量子干擾）的彈性，并允許在計(jì)算過程中檢測(cè)到小錯(cuò)誤，然后進(jìn)行主動(dòng)校正。這是基于拓?fù)浼m錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)提供的主要優(yōu)勢(shì)之一。但好處是要付出代價(jià)的：如果噪音不能輕易到達(dá)信息，你也不能。

到目前為止，似乎操作這樣一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)需要對(duì)存儲(chǔ)信息的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行小、順序的改變：通常被描述為二維的網(wǎng)格或晶格。隨著時(shí)間的推移，這些微小的變化疊加在一起，有效地將晶格的一個(gè)區(qū)域圍繞另一個(gè)區(qū)域進(jìn)行循環(huán)移動(dòng)，使網(wǎng)絡(luò)看起來與剛開始時(shí)一樣。網(wǎng)絡(luò)的這些變化被稱為辮子，因?yàn)樗鼈冊(cè)诳臻g和時(shí)間上描繪的模式看起來像辮子。如果你想象把網(wǎng)絡(luò)的快照像煎餅一樣堆疊起來，它們會(huì)一步一步地形成一個(gè)抽象的辮子。

晶格網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的基本物理，包括可以在網(wǎng)絡(luò)上跳來跳去被稱為任意子粒子的種類，這些辮子可能足以運(yùn)行任何量子程序。在這項(xiàng)新研究中，研究展示了編織幾乎可以瞬間完成，打結(jié)圖消失了，取而代之的是網(wǎng)絡(luò)就地重新排列。馬里蘭大學(xué)聯(lián)合量子研究所（JQI）前博士后研究員、目前是IBM托馬斯·J·沃森研究中心研究人員的朱冠宇表示：教科書上的這些辮子只能絕熱或非常緩慢地編織，以避免在這個(gè)過程中制造錯(cuò)誤。

然而，在這項(xiàng)研究中，研究人員意識(shí)到，與其緩慢移動(dòng)相互環(huán)繞著任意子的區(qū)域，只需以恒定的步數(shù)拉伸或擠壓它們之間的空間即可。其一是進(jìn)行局部修改，重新配置組成網(wǎng)絡(luò)物理量子比特之間的相互作用。這一部分與普通編織的要求沒有太大不同，但假設(shè)它在被編織的區(qū)域內(nèi)平行發(fā)生。第二個(gè)要素是交換物理量子比特上的信息能力，這些量子比特彼此并不接近，甚至可能在編織區(qū)的相反角落。

系統(tǒng)及元件

第二個(gè)要求對(duì)于一些量子計(jì)算硬件來說是一個(gè)很大的要求，但作者說，有一些系統(tǒng)可以自然地支持它。各種具有遠(yuǎn)程連通性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以支持該方案，包括離子陷阱、具有長傳輸線諧振器的電路QED系統(tǒng)、具有超導(dǎo)腔的模塊化體系結(jié)構(gòu)，以及硅光子器件?；蛘?，你可以想象使用具有可移動(dòng)量子比特的平臺(tái)。人們可以將這樣的平臺(tái)想象為流體量子計(jì)算機(jī)，在這種平臺(tái)上，量子比特可以通過經(jīng)典運(yùn)動(dòng)自由流動(dòng)。

研究對(duì)如何在一類特殊拓?fù)淞孔哟a中實(shí)現(xiàn)其瞬時(shí)辮子提供了明確的說明，將這一結(jié)果擴(kuò)展到更一般的設(shè)置，甚至研究了它如何應(yīng)用于雙曲空間中的拓?fù)浯a，在這種情況下，添加新量子比特只需要向網(wǎng)絡(luò)添加固定數(shù)量的物理量子比特。研究人員還沒有弄清楚新編織技術(shù)將如何與檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤的額外目標(biāo)相配合，這仍然是未來研究一個(gè)懸而未決的問題。

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博科園｜研究/來自：馬里蘭大學(xué)聯(lián)合量子研究所

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》《物理評(píng)論B》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.050502

DOI: 10.1103/PhysRevB.102.075105

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