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华威大学研究人员开发出计算机程序,可发现量子计算机中的“泄漏”
2019-03-26

当量子计算机中的信息进入不理想的状态时,如果有一种计算机程序能够及时发现这种“泄漏”,便可使用户无需任何技术知识也能够检测量子计算机的可靠性。近日,华威大学物理系的研究人员开发出了一个量子计算机程序来检测量子计算机的“泄漏”,即需要处理的信息从01的状态中逃逸出来。

该研究团队的方法以一篇论文的形式于319日发表在《物理评论A》,论文包括该程序在一台可公开访问的机器上应用的实验数据,这些数据表明不理想的状态会影响某些计算能力。

量子计算利用量子物理的特殊性质,以一种与传统计算机完全不同的方式处理信息。这种计算方式利用量子系统的行为模式,例如同时处于多个不同的状态,来同时处理所有这些状态下的数据,这使得量子计算与传统计算相比具有巨大优势。


量子计算机使用01的组合来编码信息,但是,编码这些信息的硬件有时可能在另一种状态下编码错误,这就是所谓的“泄漏”问题。即使是极微小的“泄漏”,在数百万个硬件组件上积累之后,也可能导致计算错误和潜在的严重错误,从而抵消了量子计算原本所有的优势。“泄漏”是量子计算机可能产生的一系列更广泛错误的一种,它阻碍着量子计算机向商业和工业扩展应用。如果可以掌握量子“泄漏”的数量,工程师们将能够搭建新系统以更好地缓解量子“泄漏”问题,程序员也可以更有针对性地开发新的纠错技术。

人们对量子计算的商用越来越有兴趣,都想知道如何才能确定这些机器正在做它们应该做的事情。量子计算机是由量子位构成的,但事实证明,在实际设备中,它们有时根本不是量子位,而是三态粒子或三态粒子。这样的问题会破坏计算操作的后续步骤。大多数量子计算硬件平台都存在这个问题。我们需要量子计算机工程师通过改进设计尽可能减少“泄漏”,同时也需要使量子计算机用户能够对其进行简单的诊断测试。如果量子计算机要开始普遍应用,那么,用户即时不知道量子计算机如何工作,也应该能够在不具备任何技术知识的情况下检查它是否在正常工作。

研究人员通过IBM可公开访问的云服务,使用IBM Q Experience量子设备试验了他们的方法。他们使用了一种名为“维度见证”的技术:通过在IBM Q平台上反复应用相同的操作,获得一个结果数据集,这个数据集不能用单个量子比特来解释,只能用一个更复杂、更高维度的量子系统来解释。他们计算出,这个结论是偶然产生的概率小于0.05%



传统的计算机使用二进制数字(01)在晶体管中编码信息,而量子计算机使用亚原子粒子或名为transmon的超导电路将信息编码为量子位。这意味着它同时处于01的叠加状态,允许用户同时计算相同量子位元的不同序列。随着量子位元数量的增加,进程的数量也呈指数级增长。某些类型的问题,如(依赖于分解大整数的)代码破译和化学领域的模拟复杂分子,特别适合利用这一特性。


Transmon(以及其他量子计算机硬件)可以以大量的状态存在:01234等等。理想的量子计算机只使用状态01,以及它们的叠加,否则量子计算会出现错误。



维度见证方法能够显示出在传输电路组件中正在出现不理想的状态,这对于任何想要研究量子机器的功能而又不想了解特定硬件细节的用户来说,这都是一场胜利。 


(中国电科发展战略研究中心  焦丛)



 



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