一项新研究提出了一条通往更高效纠错的路径，这可能有助于让量子计算机和传感器更加实用。
世界各地的实验室正竞相开发基于量子力学原理运行的新型计算和传感设备，这些设备可能比经典同类设备具有显著优势。然而，这些技术仍面临若干挑战，其中最重大的一项是如何应对“噪声”——即可能抹去此类设备中所存储数据的随机波动。
麻省理工学院研究人员开发的一种新方法，可能在量子纠错方面带来重要进展。该方法通过对系统进行精细调整，以应对最可能出现的噪声类型，而不是广泛撒网，试图捕捉所有可能的干扰来源。
该分析发表于期刊《Physical Review Letters》，论文作者为麻省理工学院研究生David Layden、博士后Mo Chen，以及核科学与工程教授Paola Cappellaro。
“我们目前在开发量子技术时面临的主要问题在于，现有系统规模小且噪声大。”Layden表示。噪声，即任何形式的不必要干扰，尤其令人困扰，因为许多量子系统本身具有高度敏感性，而这一特性正是其部分潜在应用的基础。
Layden还指出了另一个问题：量子系统会受到任何观测行为的影响。因此，虽然人们可以检测到经典系统正在漂移并施加校正使其回位，但在量子世界中情况要复杂得多。“量子系统真正棘手之处在于，当你观察它们时，它们往往会坍缩。”他说。
经典纠错方案基于冗余原理。例如，在一个受噪声影响的通信系统中，不是只发送一个比特（1或0），而是可以将每个比特复制发送三份（111或000）。随后，如果三个比特不一致，即表明出现了错误。每个比特发送的副本越多，纠错效果就可能越好。
同样的基本原理可以应用于量子比特（即“量子位”）的冗余设计。但Layden表示：“如果我想获得高度的保护，就需要将系统的很大一部分用于执行这类检查。而目前这是行不通的，因为我们的系统规模相当小；按常规方式，我们根本没有足够的资源来进行真正有用的量子纠错。”因此，研究人员设法将纠错高度集中地针对最普遍存在的特定噪声类型。
他们所研究的量子系统由钻石晶体中一种特定缺陷——称为氮空位中心——附近的碳原子核构成。这些缺陷表现得如同单个孤立的电子，其存在使得对附近碳原子核的控制成为可能。
但研究团队发现，影响这些原子核的绝大部分噪声来自单一来源：附近缺陷本身的随机波动。这一噪声来源可以被精确建模，由于其他噪声来源相对微不足道，抑制其影响可能产生重大作用。
“实际上，我们对这些系统中主要噪声来源的理解相当透彻。”Layden表示，“因此，我们不必广泛撒网，去捕捉每一种假设中的噪声类型。”
研究团队提出了一种不同的纠错策略，专门用于应对这一特定的主导噪声来源。正如Layden所描述的，噪声来自“这一个中心缺陷，或这一个中心‘电子’，它倾向于随机跳动。它会抖动。”
而这种抖动又会以一种可预测的方式影响附近所有的原子核，并且这种影响是可以被校正的。
“我们这种方法的最终结果是，能够以远少于其他方式所需的资源，获得固定水平的保护，”他说，“通过这种针对性的方法，我们可以使用规模小得多的系统。”
目前的工作仍处于理论阶段，研究团队正积极致力于该原理的实验室演示。研究人员表示，如果这一方法如预期般奏效，它可能成为未来各类量子技术的重要组成部分，包括有望解决以往无法解决问题的量子计算机，能够免受窃听的量子通信系统，或高灵敏度的传感器系统。
“这是一个可以以多种方式加以利用的组件，”Layden表示，“这就像我们正在开发发动机的一个关键部件。距离造出一辆完整的汽车还有一段距离，但我们在关键部件上已取得进展。”
“量子纠错是该领域的下一个挑战，”加拿大舍布鲁克大学物理学教授Alexandre Blais表示，他与本研究无关。“然而，当前量子纠错码的复杂性令人望而生畏，因为它们需要大量量子比特才能稳健地编码量子信息。”
Blais补充道：“我们现已逐渐认识到，利用我们对将要实施量子纠错的设备的理解，可以带来巨大优势。这项工作在这一方向上作出了重要贡献，它表明一种常见类型的误差可以以比预期高效得多的方式得到校正。要让量子计算机实现实用化，我们需要更多类似的思路。”
该研究得到了美国陆军研究办公室和美国国家科学基金会的支持。
