量子计算的突破将使干扰量子计算的“噪声”难题成为过去

金山大学（University of the Witwatersrand）的科学家们发现了一项突破性方法，能够保护量子信息免受"噪声"干扰，这或将最终促成实用型量子计算机的诞生。量子计算机依赖量子纠缠原理，即两个粒子的量子属性跨越时空即时共享联系。这使得量子计算机能够比传统计算机更快速地进行运算，因为它们可以并行处理信息而非顺序执行。

但维持这种"相干性"十分困难，外界的"噪声"——无论是游离粒子的干扰、光线照射还是温度的细微变化，都可能破坏纠缠态并导致信息逸散。这正是量子位出错率远高于传统计算中经典比特的原因。

研究参与者、南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学(又名金山大学)物理学教授安德鲁·福布斯向《生活科学》解释道: "尽管企业宣称拥有1000个量子位，但真正有效的寥寥无几，噪声就是罪魁祸首，学界共识是：除非能降低噪声干扰，否则单纯增加量子位数量毫无意义。"

如今，物理学家团队通过将信息编码于两个纠缠光子的拓扑结构（源于形态的特性）中，找到了在噪声风暴中保存量子信息的方法。这项研究成果刚刚发表在《自然·通讯》期刊上。

与传统计算机比特作为数字信息基本单元类似，量子位是量子信息的载体。与比特相同，量子位可以呈现为1或0，代表双态系统中的两种可能状态。得益于量子世界的奇特法则，量子位还能存在于理论上无限的经典态叠加中。当它们在量子计算机内形成纠缠时，其计算能力将呈指数级增长。

但这条量子"菊花链"极其脆弱：即便置于超低温高度绝缘的低温恒温器中，现有量子计算机仍会遭受微小扰动侵袭，导致精密计算过程迅速崩溃。

量子降噪新范式
传统防退相干策略聚焦于维持纠缠态，但迄今收效有限。新研究团队另辟蹊径，致力于在已部分退相干的系统中保存信息。研究人员决定放任纠缠态衰减，因为它本就脆弱，转而专注于在极微弱纠缠下保全信息。

研究团队采用了一种称为"拓扑量子位"的方案，将信息编码于两个纠缠粒子构成的形态中。他们最终选定名为"光学斯格明子"的准粒子，这是两个纠缠光子间形成的波状场域。

实验显示，即使暴露在不同强度噪声下，斯格明子编码的图案和信息仍能保持稳定，其抗干扰能力远超非拓扑系统。研究人员发现只要存在任何程度的纠缠——无论多么微弱，拓扑结构就能保持完整。唯有当纠缠完全消失时，拓扑特性才会瓦解。

科学家认为这种方法对构建适应任何噪声环境的量子计算机及网络至关重要。下一步他们将开发"拓扑工具包"，实现将实用信息编码入斯格明子并完整读取。完成这项基础工作后，我们就能探索拓扑结构在通信网络和计算等实际场景中的应用。