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量子信息的双重护盾:拓扑动力学解耦

已有 509 次阅读 2019-11-11 16:37 |系统分类:论文交流

        量子计算机具有强大的计算能力,为什么还不能实用?是操控误差和环境噪声影响了量子计算的研发!幸运的是,科学家已经找到了克服它们的理论方法。当操控误差和环境噪声导致的错误发生概率小于某个阈值的时候,我们可以用纠错的方式来发现和改正这些错误。要强调的是,错误概率必须要小。这就好像医生治病,病情不特别严重才容易治愈。古时候医疗水平低,一些小病就能要人命,而现在医疗技术进步了,许多疾病都能治疗了。

        动力学解耦和拓扑量子纠错码是实现容错量子计算的两种不同方案。拓扑量子纠错码,如表面码(surface code),将量子信息储存在拓扑不变量对应的自由度上。动力学解耦则通过在量子比特上施加解耦脉冲来消除产生噪声的相互作用。它们基于不同的原理来消除噪声,一般不能同时使用。

        北京量子信息科学研究院和清华大学薛其坤院士和张江、于晓东、龙桂鲁等最近提出了一种将动力学解耦和拓扑量子纠错码结合的方案,同时使用这两种技术来双重保护量子信息。他们的工作最近发表在Science China-Physics Mechanics & Astronomy 2019年第12期的Editor’s Focus栏目[1],同期发表了谢心澄主编撰写的点评文章[2]

封面SCPMA-2019-12.jpg

        在该文中,他们首次提出了利用量子比特在空间排列的拓扑结构来设计解耦序列。当量子比特排列在环面网格上,根据其拓扑等价类设计的解耦方案与拓扑表面码兼容,可同时使用动力学解耦和拓扑量子纠错保护量子比特,从而大幅度降低了出现错误的概率,使得量子纠错更容易实现。



名词 解释

容错量子计算:容错量子计算的基本理念是经过良好设计的量子线路不会将比特上产生的误差传递到其他比特上。针对量子纠错码的情形,容错量子计算要求比特上产生的任何一个误差最多导致一个逻辑比特上输出的改变。

动力学解耦:量子比特不可避免的与周围的环境产生相互作用,导致比特产生退相干。动力学解耦通过在比特上施加周期性的幺正操作将比特和环境间的相互作用消除掉,从而保护量子比特不受环境噪声干扰。

量子纠错码:单个量子比特上很容易出现误差,如果不能及时发现和改正这些误差,会导致计算结果出现错误。量子纠错码把量子信息储存在由多个比特组成的逻辑比特中,当比特上出现误差的时候,可以通过测量的方式发现它们,并加以改正。





文章信息:[点击下方链接或阅读原文]
[1] J. Zhang, X.-D. Yu, G.-L. Long, and Q.-K. Xue, Topological dynamical decoupling, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 62,120362 (2019), https://doi.org/10.1007/s11433-019-9447-5
[2] X. C. Xie, Suppressing noises with topology and dynamical decoupling, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 62, 120361 (2019),  https://doi.org/10.1007/s11433-019-1435-3



《中国科学: 物理学 力学 天文学》(中文版)和SCIENCE CHINA: Physics, Mechanics & Astronomy (SCPMA, 英文版)是中国科学院主管、中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的综合性学术刊物, 均为月刊。英文版SCPMA被SCI, EI, ADS等数据库收录, 2018年影响因子为3.986Q1区。中文版被ESCI、Scopus、《中文核心期刊要目总览》、《中国科学引文数据库》等收录, 以出版热点专题和专辑为主。中英文为两本完全独立的刊物。订阅《中国科学: 物理学 力学 天文学》微信公众号手机同步关注最新热点文章、新闻、科技资讯请添加微信号SCPMA2014或扫描下方图片关注. 

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1 刘钢

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