量子物理学家如何从旧技巧中发明新代码

悉尼大学的一位科学家已经实现了一位量子产业内部人士所说的“许多研究人员认为不可能的事情”。

物理学院的本杰明·布朗博士开发了一种用于量子计算机的纠错代码,它将释放更多的硬件来进行有用的计算。它还提供了一种方法,使Google和IBM等公司可以设计更好的量子微芯片。

他通过将在三维中运行的已知代码应用于二维框架来做到这一点。

布朗博士说:“诀窍是将时间用作第三维。我使用了两个物理维度,并增加了时间作为第三维。”“这为我们提供了前所未有的可能性。”

他的研究今天发表在《科学进展》上。

他说:“这有点像编织。”“每一行就像一维线。您将一排排的羊毛编织在一起,随着时间的流逝,这将产生一个二维的材料面板。”

容错量子计算机

在制造足以解决有用问题的机器之前,减少量子计算中的错误是科学家面临的最大挑战之一。

悉尼大学纳米研究所的研究员布朗博士说:“由于量子信息是如此脆弱,因此会产生很多错误。”

完全消除这些错误是不可能的,因此目标是开发一种“容错”架构,其中有用的处理操作远胜于纠错操作。

“在单个错误触发黑屏或其他一些故障之前,您的移动电话或笔记本电脑将在数十年内执行数十亿次操作。当前的量子操作很幸运,每20次操作中发生的错误少于一个,这意味着数百万个错误小时,”布朗博士说,他还曾在ARC工程量子系统卓越中心工作。

“那是很多掉线的东西。”

如今,实验性量子计算机中的大多数构造块(量子位或量子位)都由纠错的“开销”承担。

“我抑制错误的方法是使用在整个体系结构的二维表面上运行的代码。这样做的效果是使许多硬件免于纠错,并使其继续使用有用的东西,布朗博士说。

Naomi Nickerson博士是位于加利福尼亚帕洛阿尔托的PsiQuantum的量子架构主管,与这项研究无关。她说:“这一结果为执行容错门建立了新的选择,它有可能极大地减少开销,并使实用的量子计算更加接近。”

通用计算之路

诸如PsiQuantum之类的初创公司以及Google,IBM和Microsoft等大型技术公司正在牵头开发大型量子技术。迫切需要找到允许其机器扩展的纠错码。

微软量子公司的高级研究员迈克尔·贝弗兰德博士(Michael Beverland博士)也没有参与这项研究。他说:“本文探讨了一种令人兴奋的,奇异的方法来执行容错量子计算,指出了可能在两个空间维度上实现通用量子计算的方法无需蒸馏,许多研究人员认为这是不可能的。”

当前存在的二维代码需要Beverland博士所称的蒸馏,更准确地称为“魔术蒸馏”。量子处理器在此处对多个计算进行排序,并提取出有用的计算。

只是抑制了错误,这消耗了很多计算硬件。

布朗博士说:“我已经运用了三维代码的力量,并将其适应了二维框架。”

布朗博士今年很忙。3月,他与EQUS和悉尼大学的同事在顶级物理学杂志《Physical Review Letters》上发表了一篇论文。在他的研究中,他和同事们开发了一种解码器,该解码器比以往任何时候都可以识别和纠正更多的错误,从而在错误纠正方面创造了世界纪录。

布朗博士说:“识别出更常见的错误是我们可以释放更多处理能力用于有用计算的另一种方式。”

Stephen Bartlett教授是该论文的合著者,并领导了悉尼大学的量子信息理论研究小组。

“我们在悉尼的小组非常专注于发现如何扩大量子效应,以便它们可以为大型设备提供动力,”兼科学系研究副院长的巴特利特教授说。

“布朗博士的工作展示了如何为量子芯片做到这一点。这种进展将使我们能够从少量的量子位发展到非常大的数量,并建造超强大的量子计算机,以解决明天的重大问题。 ”

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