北京
比起硬件故障，最大的挑战可能来自量子世界自身规则与环境的相互作用。
建造更大、更强的量子计算机的竞赛，焦点大多放在工程层面：增加更多量子比特、降低噪声，以及维持脆弱的量子态。然而，一项新的理论研究表明，随着这些机器规模的增长，另一个在很大程度上被忽视的问题可能浮现。
亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心（HZDR）的研究人员发现，一种被称为量子芝诺效应的奇特量子现象，可能导致某些量子计算机严重减速——在最糟糕的情况下，计算几乎完全停滞。
研究作者指出：“在相当普遍的条件下，我们发现量子芝诺效应对量子系统的性能构成了很强的限制。”
这项研究并非揭示当今设备的缺陷，而是指出了一个根本性的扩展挑战，量子计算机的设计者在机器越做越大的过程中，或许不得不面对它。
在新研究中，HZDR团队表示，这一效应对于绝热量子计算机可能尤为重要——这类机器被广泛研究用于解决优化问题、搜索海量数据集和模拟分子。
当环境不停地“注视”量子计算机
量子芝诺效应是量子力学中最反直觉的观念之一。它预言，对一个量子系统进行反复测量，会阻止其改变状态，实际上冻结它的演化。
这一概念已被实验研究了几十年。早期研究主要在孤立的实验室系统中探索这一现象，或者将其作为一种有意识地控制量子态的方法。例如，一项理论工作表明，连续测量可以将量子系统囚禁在特定状态中。
HZDR的研究人员提出了一个不同的问题——如果量子计算机无意中遭遇这种效应，会发生什么？
绝热量子计算机的工作方式不同于基于门的量子计算机。它们的“算法被认为很稳健，并且可以在很大程度上独立于所用硬件，由量子计算机执行”，研究作者之一、HZDR理论物理研究所所长拉尔夫·许茨霍尔德说。
它们不是执行一连串量子逻辑操作，而是逐渐重塑能量图景，同时让量子比特保持在能量最低的基态。如果这种转变足够缓慢，基态就会自然演化成所求问题的解。
为了进行研究，他们构建了一个绝热量子计算机与现实环境相互作用的理论模型。实际上，没有哪台量子处理器能做到完全隔离。即便在冷却到略高于绝对零度（-273.15℃）的冰箱内部，微量的热量、电磁辐射或其他外部影响仍会与量子比特相互作用。
这些相互作用导致退相干，逐渐破坏诸如叠加和纠缠等精细的量子性质——正是这些性质赋予了量子计算机强大能力。实际上，周围环境就像一个无意的探测器，不断检查量子比特的状态，哪怕根本没人有意测量它们。
更多量子比特可能让问题更糟
研究团队分析了格罗弗搜索算法的绝热版本，这是一种著名的量子算法，能以远超经典方法的速度搜索未排序数据库。
在绝热量子计算中，算法从一个易于制备的量子态开始，然后缓慢地改变系统的主导能量图景（即哈密顿量），直到基态代表所求的解。如果转变足够缓慢，量子比特在整个计算过程中就会自然地保持在基态。
他们的计算揭示，规模化会造成一种意想不到的脆弱性。随着问题规模增大，将基态与更高能态隔开的最小能隙可能变得极小。
随着这些能量差缩小，计算就必须更缓慢地进行，才能保持绝热。由于计算耗时更长，而环境干扰大体上以相同的速率持续作用，量子芝诺效应出现的可能性也随之上升。
“每次干扰就像一次不想要的测量，拖慢系统的演化。在最糟糕的情况下，计算甚至会完全冻结，”研究作者之一、HZDR理论物理研究所量子技术部负责人格诺特·沙勒说。
这很像烤蛋糕，只有关着烤箱门它才能正常膨胀，不停地打开门去查看，会打断烘焙过程，导致蛋糕停止膨胀甚至塌陷。同理，反复的环境干扰不断打断量子态的自然演化，使它在到达期望终点之前就停住了。
更重要的是，这项研究并非暗示所有量子计算机都面临同样的限制。该工作聚焦于绝热量子算法以及量子退火等相关方法，这些计算都依赖于逐渐跨越微小的能隙。
构建更强韧量子计算机的路线图
这项研究是理论性的，而非实验性的，因此这些发现仍需在真实的量子硬件上进行探索。
不过，研究人员表示，可以通过改善对热量和电磁干扰的屏蔽，并运用自旋回波等技术来缓解这个问题。自旋回波技术通过施加精确定时的脉冲，来减少量子比特与环境之间的相互作用。
这些发现还表明，扩大量子计算机的规模所需的不仅仅是增加量子比特。未来的系统可能需要更好地防护环境噪声，并采用更智能的控制技术，以降低量子芝诺效应成为瓶颈的风险。
这项研究发表在《新物理学杂志》（New Journal of Physics）上。
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