量子糾錯：保護量子計算機免受環境干擾 | 量子世界地圖

導語

量子計算機功能強大卻也非常脆弱，周圍世界的微小噪聲可能破壞其量子特性。如果保護量子計算機避免出錯？答案或許是，不要把所有雞蛋放在一個籃子裡。

2022年諾貝爾物理學獎授予了關於量子信息科學的基礎性研究。一百多年前，量子革命爲我們帶來了晶體管和激光，今天，基於量子信息的新技術正在讓我們進入一個新的量子信息時代。但到底什麼是量子？什麼是量子糾纏？量子計算和量子通信可以做什麼？量子的世界常常讓人感覺神秘而晦澀，爲了幫助更多人領略量子世界的魅力，一個名爲 The Quantum Atlas 的項目以圖文並茂的方式，系統地介紹量子世界的基本概念。集智俱樂部對這些概念進行了翻譯，希望可以爲大家提供一張粗略的量子世界地圖。

關鍵詞：量子糾錯

The Quantum Atlas| 來源

黃澤豪| 譯者

鄧一雪|編輯

量子計算機是一種有特殊用途的機器。一些原型機已經出現，但是它們都有一個問題：真的很難伺候。組成這些原型機的所有量子部件都非常脆弱，如何將它們精巧地放在一起也是一個需要考慮的問題。

量子比特用於在量子計算機中存儲和處理信息。然而，它們有點難以駕馭，就像堅持無視你命令的寵物一樣。當科學家嘗試在其上進行疊加和糾纏時（這兩者都是量子計算所必需的），這一問題會變得更加複雜。這裡的一點光亮，那裡的零星振動——幾乎任何東西都足以破壞量子計算機的內部工作。

我們的日常經驗證明了這種量子物體內在的脆弱性。你不可能真正看到量子疊加的作用，也不可能抓住量子糾纏。爲什麼不行呢？因爲我們的身體，基本上我們遇到的一切，都處在我們稱之爲“室溫”的水深火熱中。這種溫和的熱環境會使量子性消失。因此，儘管一個原子本身是非常理想的量子物體，但只要你把它放在其他原子旁邊（就像在量子計算機中一樣），整個混亂就開始了。這可能會相對較快地損害一個精密的疊加，而且情況只會隨着你添加的原子越多而變得更嚴重。這種對所有量子事物的無情破壞有一個名字：退相干*。

這聽起來對量子計算機來說非常糟糕。如果大自然正在努力破壞賦予這些新奇設備力量的量子特性，我們該如何使用它們呢？

不要害怕！有一些方法可以保護量子計算機不受周圍環境的有害影響。而且解決方案與家用電器有很多共同點。

圖1. 在冰箱裡，寒冷的溫度可以保存食物（至少可以保存一段時間）。量子糾錯就像一臺冰箱，既能讓東西保持低溫，又能防止損壞。

在冰箱裡，寒冷的溫度可以保存食物（至少可以保存一段時間）。通常，量子比特也使用專門的製冷技術保持非常冷的狀態。但量子糾錯增加了一種更主動的製冷方式，可以防止損壞，就像打開冰箱裡的一罐東西，看看它是否還不錯。

量子糾錯的目的是在發生錯誤時注意到問題，這使我們能夠修復問題，並繼續進行試圖執行的任何量子計算。冗餘是做到這一點的關鍵。你可以將量子信息分散在幾個量子比特上來保存信息，而不是將量子信息存儲在單個量子比特上。那麼，如果有一兩個壞了，也不會破壞其他比特。

同樣的想法也被用於保護普通比特不受錯誤的影響*。但在那種情況下，實際上只有一種類型的錯誤會發生：0可以轉換爲1，反之亦然。量子比特更自由，而且它們會受到無限多（毫不誇張）的錯誤的影響。

發現這種量子比特出錯的方法是通過測量。儘管測量量子態通常會減少一些量子性，但在量子糾錯中進行的測量是經過精心設計的：用於展示足夠的信息來診斷錯誤；但這種四處探查又不會告訴你足夠的信息，以至於揭示編碼在量子態中的量子比特信息，破壞寶貴的量子特性。

有許多方法可以讓一個量子比特的信息在衆多量子比特中傳播，科學家稱這些選擇爲量子糾錯碼。這裡的“碼”一詞與秘密代碼無關。這裡的想法是把一個量子比特的信息編碼成幾個量子比特。

對普通比特進行編碼的一種簡單方法，是將0和1用很多0（000000000）和1（111111111）來表示。當單獨存儲時，單個比特很容易被環境破壞：將0變爲1只需要一次比特翻轉。但一旦編碼，環境就很難破壞你存儲的信息：從000000000變爲111111111需要多次比特翻轉，這是一個更罕見的事件。

量子碼借用了同樣的基本思想，但其目的是防止量子比特可能出現的所有附加錯誤。有些量子碼就像上面經典碼的兩個副本被包裝成一個，而另一些量子碼則涉及奇異的新物態，研究人員在實驗室中也幾乎沒有看到過這些狀態。

圖2. 如果使用多個比特來存儲一個“邏輯比特”，影響單個比特的噪聲將不會成爲問題。當一個比特出現錯誤，有可能被檢測到。

自20世紀90年代中期以來，研究人員一直在研究量子糾錯，他們在這一過程中學到了各種各樣的東西：如何操作編碼的量子比特而不必對其進行解碼，以及如何讓易錯的量子比特信息在一切崩潰之前得到。他們甚至研究了當量子糾錯過程與它試圖保護的量子信息遭遇相同的錯誤時，它如何工作。實驗水平到現在才變得足夠好，可以真正檢驗所有這些想法。

量子糾錯和相關的容錯*想法提供了一條清晰的路徑，幫助大型量子計算機能夠解決最棘手的計算問題。顯然，老話在量子世界裡仍然適用：永遠不要把所有的雞蛋（信息）放在一個籃子（量子比特）裡。

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