通过推导预测量子环境噪声影响的公式,美国和荷兰科学家在量子计算方面取得了重大进展,这对于设计和建造能够在室温环境中工作的量子计算机来说至关重要。量子计算利用量子力学原理进行计算,与经典计算机使用可以是0或1的比特不同,量子计算机使用量子比特或量子位,量子位可以同时处于0和1的叠加中。
虽然科学家们可以将这种优势归因于量子计算机并行执行大量计算的能力,但现实更为复杂。量子计算机的量子波函数(代表其物理状态)有几个分支,每个分支都有自己的相位。相位可以被认为是时钟指针的位置,指针可以指向钟面上的任何方向。在计算结束时,量子计算机将其在波函数的不同分支上同时进行的所有计算结果重新组合为一个答案。科学家们解释道:“与不同分支相关的阶段在决定这一重组过程的结果方面发挥着关键作用,芭蕾舞演员的舞步非常重要,什么时候是什么样的姿态,什么时候是什么分支,发挥什么作用,这没有什么不同。”
光可以通过不同的路径穿过光纤。由于无法知道光线所经过的确切路径,因此会产生有效的去相位噪声,这是量子计算的一个重要障碍,这样的噪音可以被比作一个小恶魔,以一种不可预测的方式改变波函数不同分支的相位,就好像突然出现吓你一跳的朋友。这种篡改量子系统相位的过程被称为去相位,是量子计算成功的最大障碍之一。
去相位也可以发生在日常设备中,如光纤,用于以光的形式传输信息。穿过光纤的光线可以走不同的路径;由于每条路径都与特定的相位相关联,因此不知道所走的路径相当于有效的去相位噪声。科学家们在新的出版物中分析了一种称为玻色子去相位通道的模型,以研究噪声如何影响量子信息的传输。
量化噪声对量子信息影响的数字是量子容量,即每次使用光纤可以安全传输的量子位数量。对于所有可能形式的去相位噪声,新出版物为计算玻色子去相位通道的量子容量问题提供了一个完整的分析解决方案。为了克服噪声的影响,可以在消息中加入冗余,以确保在接收端仍然可以检索到量子信息。这类似于在打电话时说“阿尔法、贝塔、查理”而不是“A、B、C”。尽管传输的消息较长,但冗余度可确保正确理解。这项新研究准确地量化了量子信息需要添加多少冗余才能保护其免受去相位噪声的影响。这一点意义重大,因为它使科学家能够量化噪声对量子计算的影响,并开发克服这些影响的方法。

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