來自CSC-IT科學中心、阿爾托大學和奧博·阿卡德的研究人員及其來自美國波士頓大學的合作者，首次系統(tǒng)地展示了噪音對量子計算的影響，其這項研究成果發(fā)表在《物理評論快報》期刊上。

在經(jīng)典計算機中，所有數(shù)據(jù)都被分解成取值為0和1的位序列，這兩個值對應于計算機處理單元和存儲器中數(shù)百萬個微小電子開關(guān)的“開”或“關(guān)”狀態(tài)。

根據(jù)量子力學原理，一個比特的概念可以概括為一個“量子比特”，量子比特它的狀態(tài)可以同時是0和1，也可以是許多不同的方式（疊加）?？梢允褂么罅窟@樣的量子比特來建造量子計算機，這些量子比特必須使用全新的算法和語言進行編程。量子計算機理論上可能能夠解決在經(jīng)典計算機上幾乎不可能解決的問題，例如，通過原子和電子水平的計算（這本身就需要使用量子力學）設(shè)計具有所需性質(zhì)的新分子或材料。

量子計算機從一個主要在大學實驗室探索的理論概念，現(xiàn)在正迅速出現(xiàn)在商業(yè)舞臺上?？捎玫臋C器在很大程度上仍然是實驗性的，公司和研究機構(gòu)用來探索潛在的應用，并為預期的“量子霸權(quán)”時代做準備，這意味著量子計算機變得比經(jīng)典計算機更強大，至少在某些問題上是這樣。一個主要的挑戰(zhàn)是，量子比特對噪聲非常敏感，這些噪聲可以迅速摧毀它們的量子疊加態(tài)。

量子比特對噪音非常敏感

即使器件被冷卻到僅比絕對零度高幾分之一度，以最小化熱環(huán)境引起的噪音，疊加態(tài)的壽命仍然非常短，通常不到1微秒。使用加拿大D-Wave Systems公司生產(chǎn)的一種量子計算機，可以用量子退火原理解決某些優(yōu)化問題，在這里，量子比特的量子屬性以這樣一種方式逐漸改變，最終它們“量子凍結(jié)”成為設(shè)備上編程的問題的解決方案。然而，這個過程在某種程度上對噪聲很敏感，這一點還沒有被很好地理解。

現(xiàn)在，來自三個芬蘭機構(gòu)（CSC、阿爾托大學和阿博·阿卡德米大學）的一組研究人員和來自美國波士頓大學合作者首次系統(tǒng)地展示了噪音是如何影響計算的。通過改變量子比特的量子屬性改變時間（從微秒到毫秒），并研究D波設(shè)備中不同數(shù)量的耦合量子比，他們能夠確認缺陷產(chǎn)生的一般原理（意味著計算中的錯誤）。根據(jù)這一原理，計算時間越長，結(jié)果應該越好，但研究人員發(fā)現(xiàn)，時間越長，噪音對結(jié)果的負面影響越大。

通過數(shù)學模型解釋了這種行為，這將是診斷未來量子退火設(shè)備并找到操作它們最佳方式的有用工具。一旦噪聲量進一步降低，量子退火設(shè)備可能很快就會成為模擬物質(zhì)量子行為的重要工具。CSC的團隊成員揚·奧斯特倫(Jan?str?m)說：該團隊的成功工作代表了芬蘭在量子計算量子退火范例方面的第一次重大研究努力。量子計算正在迅速發(fā)展，CSC正在計劃更多的項目，以促進芬蘭在這一關(guān)鍵科學技術(shù)前沿領(lǐng)域建立強大的能力。

博科園｜研究/來自：阿爾托大學

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.090502

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