北京
该设计利用规范理论处理量子信息，避免系统坍缩。
澳大利亚研究人员开发出一种新的量子纠错方法，有望显著减少构建量子计算机所需的量子比特数量。这项研究由悉尼大学理论量子物理学家多米尼克·威廉姆森博士领导，提出了一种应用规范理论的新颖方法。美国 IBM 公司为这项研究提供了支持。
IBM 已将该设计的部分元素纳入其量子计算的长期规划中。量子计算是一种新兴技术，预计将在密码学、材料科学、药物研发和复杂系统建模等领域带来突破。
然而，由于量子纠错（QEC）的难题，从实验室实验过渡到实用且具备容错能力的计算机仍是一大障碍。“我们正处在理论与实验开始相互契合的阶段，”威廉姆森指出。
“现在的大问题是如何设计能够高效扩展、解决实际问题的量子计算机，”他补充道，“我们的工作提供了一个有前景的蓝图。”
一种新的量子比特策略
量子计算机的基本信息单元是量子比特，它们处于态的叠加之中，可以同时表示 0 和 1。
然而，量子态极其脆弱，容易受到噪声和退相干的干扰。为了解决这一问题，科学家们使用量子纠错——一种能够识别并修复这些干扰所引发错误的算法。
但传统方法需要大量的额外量子比特。“量子计算机的计算方式与经典计算机截然不同，”威廉姆森强调，“任何与环境之间的意外相互作用，都可能摧毁赋予量子计算机能力的量子效应。”
在该项目中，威廉姆森利用规范理论——一个协调局域相互作用与全局守恒定律的框架——找到了一种追踪整个系统中全局量子信息活动的方法，类似于量子硬盘。
这使得在不迫使特定量子态在单个量子比特层面坍缩的情况下，也能监测量子活动。
“规范只是一种数学构造，为我们研究的任何定义好的系统提供一组局部坐标，”威廉姆森说，“对我们有用的是，规范理论允许在局域层面上对坐标系进行变换，而系统在物理上具有重要意义的全局属性保持不变。”
修复错误
威廉姆森表示，这一想法源于粒子物理的标准模型，旨在更高效地减少量子计算中的错误。该方法使用一种将量子存储器与逻辑处理器系统相连接的结构。
同时，引入合成的“规范式”自由度，以在不导致编码量子态发生局域坍缩的情况下，测量全局逻辑信息。研究团队利用扩展图来安排这些自由度，以实现高效的扩展。
威廉姆森解释说，规范理论引入了额外的自由度，能够追踪全局属性，而无需迫使系统进入确定的局域状态。“我们意识到，类似的想法可以用于处理局域量子信息，”他在新闻稿中总结道。
这项研究为具有纠错能力的量子计算提供了一种灵活的设计，既能保持先进量子存储器的高效率，又增加了处理能力。该系统避免了量子比特的过度冗余。
该研究已发表于《自然·物理学》期刊。
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