<p>在量子計算機和其他實驗量子系統(tǒng)中，信息在設(shè)備周圍傳播，并迅速像拼字游戲中的骰子一樣被打亂。這種置亂過程發(fā)生在系統(tǒng)的基本單位，稱為量子位(就像計算機比特只有量子)彼此糾纏時;糾纏是量子物理學(xué)中的一種現(xiàn)象，粒子之間連接在一起，即使它們沒有直接接觸也保持聯(lián)系。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這些量子器件模擬自然界發(fā)生的事情，使科學(xué)家能夠開發(fā)出新的、奇異的材料，這些材料可能在醫(yī)學(xué)、計算機電子和其他領(lǐng)域有用。雖然全面的量子計算機還需要數(shù)年時間才能實現(xiàn)，但研究人員已經(jīng)在所謂的量子模擬器上進(jìn)行實驗，量子模擬器是為解決特定問題而量身定制的量子設(shè)備，例如有效模擬高溫超導(dǎo)體和其他量子材料。這些機器還可以解決復(fù)雜的優(yōu)化問題，比如為自動駕駛車輛規(guī)劃路線，以確保它們不會相撞。</p> <p>&nbsp;</p> <p><img src="https://caltech-prod.s3.amazonaws.com/main/images/Adam_Shaw-IQIM-WEB.width-450.jpg" alt="Adam Shaw" width="450" height="675" />&nbsp;</p> <p>使用這些量子計算機的一個挑戰(zhàn)是，它們非常容易出錯，比經(jīng)典計算機更容易出錯。在這些新系統(tǒng)中識別錯誤也要困難得多。&ldquo;在很大程度上，量子計算機會犯很多錯誤，&rdquo;加州理工學(xué)院物理學(xué)研究生亞當(dāng)&middot;肖(Adam Shaw)說。他是發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上的一項研究的兩位主要作者之一，該研究提出了一種驗證量子設(shè)備準(zhǔn)確性的新方法。&ldquo;你不能打開機器看里面，里面存儲著大量的信息&mdash;&mdash;對于傳統(tǒng)的計算機來說，這太多了，無法解釋和驗證。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>在《自然》雜志的研究中，Shaw和聯(lián)合主要作者Joonhee Choi(加州理工學(xué)院前博士后學(xué)者，現(xiàn)為斯坦福大學(xué)教授)展示了一種測量量子設(shè)備精度(也稱為保真度)的新方法。兩名研究人員都在曼紐爾&middot;恩德斯的實驗室工作，恩德斯是加州理工學(xué)院的物理學(xué)教授，也是羅森博格的學(xué)者。他們新策略的關(guān)鍵在于隨機性。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)并描述了一種與量子系統(tǒng)中信息被打亂的方式有關(guān)的新類型的隨機性。但是，即使量子行為是隨機的，也可以在噪聲中識別出普遍的統(tǒng)計模式。</p> <p>&nbsp;</p> <p><img src="https://caltech-prod.s3.amazonaws.com/main/images/Joonhee_Choi-IQIM-WEB.width-450.jpg" alt="Joonhee Choi" width="450" height="562" />&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們有興趣更好地了解當(dāng)信息被打亂時會發(fā)生什么，&rdquo;崔說。&ldquo;通過統(tǒng)計分析這種行為，我們可以尋找模式中的偏差，這表明已經(jīng)犯了錯誤。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們不只是想要量子機器的結(jié)果;我們想要一個經(jīng)過驗證的結(jié)果。&rdquo;恩德斯說。&ldquo;由于量子混沌，一個單一的微觀錯誤會導(dǎo)致完全不同的宏觀結(jié)果，這與蝴蝶效應(yīng)非常相似。這使我們能夠有效地檢測錯誤。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><img src="https://caltech-prod.s3.amazonaws.com/main/images/manuel-endres-1600x1087.width-450.jpg" alt="Manuel Endres" width="450" height="305" />&nbsp;</p> <p>研究人員在一個多達(dá)25個量子比特的量子模擬器上演示了他們的協(xié)議。為了發(fā)現(xiàn)是否發(fā)生了錯誤，他們對系統(tǒng)的行為進(jìn)行了數(shù)千次的測量，直到單個量子比特級別。通過觀察量子比特如何隨著時間的推移而進(jìn)化，研究人員可以識別看似隨機行為中的模式，然后尋找與他們預(yù)期的偏差。最終，通過發(fā)現(xiàn)錯誤，研究人員將知道如何以及何時修復(fù)它們。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Choi說:&ldquo;我們可以用單個量子比特分辨率追蹤信息如何在系統(tǒng)中移動。&rdquo;&ldquo;我們能做到這一點的原因是，我們還發(fā)現(xiàn)，這種自然發(fā)生的隨機性只在一個量子比特的水平上表現(xiàn)出來。你可以在系統(tǒng)的子部分中看到普遍的隨機模式。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>肖把他們的工作比作測量湖面上波浪的起伏。&ldquo;如果有風(fēng)來了，你會看到湖面上的波峰和波谷，雖然它看起來是隨機的，但人們可以識別出這種隨機性的模式，并追蹤風(fēng)是如何影響湖水的。我們可以通過分析模式的變化來判斷風(fēng)是否發(fā)生了變化。我們的新方法同樣允許我們在量子系統(tǒng)中尋找可以指示錯誤的變化。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><img src="https://caltech-prod.s3.amazonaws.com/main/images/Adam_Shaw-Quantumfigure-WEB.width-450.jpg" alt="An illustration of a pattern of quantum randomness." width="450" height="336" /> 《自然》雜志的研究題為&ldquo;探索隨機狀態(tài)和多體量子混沌的基準(zhǔn)測試&rdquo;，由國家科學(xué)基金會通過量子信息與物質(zhì)研究所(IQIM)資助;國防高級研究計劃局(DARPA);陸軍研究辦公室，埃德曼量子研究所研究生獎學(xué)金;Troesh博士后獎學(xué)金;戈登和貝蒂&middot;摩爾基金會;楊氏家族基金會;哈佛量子計劃(HQI)研究生獎學(xué)金;哈佛大學(xué)研究員協(xié)會的青年獎學(xué)金;能源部;以及加州大學(xué)伯克利分校米勒基礎(chǔ)科學(xué)研究所。其他作者包括Ran Finkelstein, xin - yuan Huang和加州理工學(xué)院的Fernando Brand&atilde;o;Ivaylo Madjarov, Xin Xie和Jacob Covey，他們之前在加州理工學(xué)院進(jìn)行了這項研究;哈佛大學(xué)的Jordan Cotler和Anant Kale;麻省理工學(xué)院的Daniel Mark和Soonwon Choi;以及奧地利因斯布魯克大學(xué)的Hannes Pichler。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點。</p> </blockquote>