量子纠错：保护量子计算机免受环境干扰 | 量子世界地图

导语

量子计算机功能强大却也非常脆弱，周围世界的微小噪声可能破坏其量子特性。如果保护量子计算机避免出错？答案或许是，不要把所有鸡蛋放在一个篮子里。

2022年诺贝尔物理学奖授予了关于量子信息科学的基础性研究。一百多年前，量子革命为我们带来了晶体管和激光，今天，基于量子信息的新技术正在让我们进入一个新的量子信息时代。但到底什么是量子？什么是量子纠缠？量子计算和量子通信可以做什么？量子的世界常常让人感觉神秘而晦涩，为了帮助更多人领略量子世界的魅力，一个名为 The Quantum Atlas 的项目以图文并茂的方式，系统地介绍量子世界的基本概念。集智俱乐部对这些概念进行了翻译，希望可以为大家提供一张粗略的量子世界地图。

关键词：量子纠错

The Quantum Atlas| 来源

黄泽豪| 译者

邓一雪|编辑

量子计算机是一种有特殊用途的机器。一些原型机已经出现，但是它们都有一个问题：真的很难伺候。组成这些原型机的所有量子部件都非常脆弱，如何将它们精巧地放在一起也是一个需要考虑的问题。

量子比特用于在量子计算机中存储和处理信息。然而，它们有点难以驾驭，就像坚持无视你命令的宠物一样。当科学家尝试在其上进行叠加和纠缠时（这两者都是量子计算所必需的），这一问题会变得更加复杂。这里的一点光亮，那里的零星振动——几乎任何东西都足以破坏量子计算机的内部工作。

我们的日常经验证明了这种量子物体内在的脆弱性。你不可能真正看到量子叠加的作用，也不可能抓住量子纠缠。为什么不行呢？因为我们的身体，基本上我们遇到的一切，都处在我们称之为“室温”的水深火热中。这种温和的热环境会使量子性消失。因此，尽管一个原子本身是非常理想的量子物体，但只要你把它放在其他原子旁边（就像在量子计算机中一样），整个混乱就开始了。这可能会相对较快地损害一个精密的叠加，而且情况只会随着你添加的原子越多而变得更严重。这种对所有量子事物的无情破坏有一个名字：退相干*。

这听起来对量子计算机来说非常糟糕。如果大自然正在努力破坏赋予这些新奇设备力量的量子特性，我们该如何使用它们呢？

不要害怕！有一些方法可以保护量子计算机不受周围环境的有害影响。而且解决方案与家用电器有很多共同点。

图1. 在冰箱里，寒冷的温度可以保存食物（至少可以保存一段时间）。量子纠错就像一台冰箱，既能让东西保持低温，又能防止损坏。

在冰箱里，寒冷的温度可以保存食物（至少可以保存一段时间）。通常，量子比特也使用专门的制冷技术保持非常冷的状态。但量子纠错增加了一种更主动的制冷方式，可以防止损坏，就像打开冰箱里的一罐东西，看看它是否还不错。

量子纠错的目的是在发生错误时注意到问题，这使我们能够修复问题，并继续进行试图执行的任何量子计算。冗余是做到这一点的关键。你可以将量子信息分散在几个量子比特上来保存信息，而不是将量子信息存储在单个量子比特上。那么，如果有一两个坏了，也不会破坏其他比特。

同样的想法也被用于保护普通比特不受错误的影响*。但在那种情况下，实际上只有一种类型的错误会发生：0可以转换为1，反之亦然。量子比特更自由，而且它们会受到无限多（毫不夸张）的错误的影响。

发现这种量子比特出错的方法是通过测量。尽管测量量子态通常会减少一些量子性，但在量子纠错中进行的测量是经过精心设计的：用于展示足够的信息来诊断错误；但这种四处探查又不会告诉你足够的信息，以至于揭示编码在量子态中的量子比特信息，破坏宝贵的量子特性。

有许多方法可以让一个量子比特的信息在众多量子比特中传播，科学家称这些选择为量子纠错码。这里的“码”一词与秘密代码无关。这里的想法是把一个量子比特的信息编码成几个量子比特。

对普通比特进行编码的一种简单方法，是将0和1用很多0（000000000）和1（111111111）来表示。当单独存储时，单个比特很容易被环境破坏：将0变为1只需要一次比特翻转。但一旦编码，环境就很难破坏你存储的信息：从000000000变为111111111需要多次比特翻转，这是一个更罕见的事件。

量子码借用了同样的基本思想，但其目的是防止量子比特可能出现的所有附加错误。有些量子码就像上面经典码的两个副本被包装成一个，而另一些量子码则涉及奇异的新物态，研究人员在实验室中也几乎没有看到过这些状态。

图2. 如果使用多个比特来存储一个“逻辑比特”，影响单个比特的噪声将不会成为问题。当一个比特出现错误，有可能被检测到。

自20世纪90年代中期以来，研究人员一直在研究量子纠错，他们在这一过程中学到了各种各样的东西：如何操作编码的量子比特而不必对其进行解码，以及如何让易错的量子比特信息在一切崩溃之前得到。他们甚至研究了当量子纠错过程与它试图保护的量子信息遭遇相同的错误时，它如何工作。实验水平到现在才变得足够好，可以真正检验所有这些想法。

量子纠错和相关的容错*想法提供了一条清晰的路径，帮助大型量子计算机能够解决最棘手的计算问题。显然，老话在量子世界里仍然适用：永远不要把所有的鸡蛋（信息）放在一个篮子（量子比特）里。

集智量子交流群

量子力学作为现代物理学的两大核心理论之一，成功描述了微观物理体系的演化规律。量子概念的引入深刻地揭示了一系列与宏观体系截然不同的物理机制，在近年来逐渐发展出了包含量子通信、量子计算、量子模拟、量子测量等量子信息科学的全新研究领域和方向。

我们感受到以量子力学为基础的革命是颠覆性的，也将影响到未来的复杂性科学研究。集智社区中已经有一些从事量子相关研究工作的活跃社区成员，我们建立了一个集智的量子相关交流群，欢迎你加入交流。

扫描以下二维码，填写个人信息，加入「集智量子交流群」