要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的夢(mèng)想，就必須先克服一些困難，比如保持存儲(chǔ)系統(tǒng)的穩(wěn)定——即克服量子計(jì)算信息的基本單元(量子位/qubit)所固有的不穩(wěn)定性。好消息是，來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家們，已經(jīng)打造出了一個(gè)突破性的電路，它能夠不斷地自我檢查、以保持量子存儲(chǔ)始終處于無(wú)差錯(cuò)的狀態(tài)。

       UC Berkeley的物理學(xué)家們宣稱(chēng)打造出了突破性的量子點(diǎn)路，因其能夠檢查并糾正自身的錯(cuò)誤。

量子信息很容易遇到由環(huán)境所引發(fā)的錯(cuò)誤，比如宇宙射線(xiàn)、或者一個(gè)位置的量子相干(quantum coherence)崩潰，這意味著包含一個(gè)量子位的信息很容易丟失。

此外，由于量子糾纏態(tài)的特殊性，任何試圖復(fù)制信息的行為，都會(huì)對(duì)它造成即時(shí)的破壞。

不過(guò)，身為一名研究生的UC Berkeley約翰·馬蒂尼物理實(shí)驗(yàn)室研究員Julian Kelly表示：“量子計(jì)算的一個(gè)最大挑戰(zhàn)，就是量子比特本身出現(xiàn)了問(wèn)題(inherently faulty)。所以如果你在里面存儲(chǔ)了一些信息，它們是會(huì)被忘記的”。

       該團(tuán)隊(duì)并未嘗試維持一個(gè)量子比特(比方說(shuō)將其誘捕到硅的同位素中)，而是通過(guò)某種基于算法的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

                             量子糾錯(cuò)系統(tǒng)和相應(yīng)算法的原理圖。

       不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)不使用二進(jìn)制(0和1)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因?yàn)樗€擁有另一種“疊加態(tài)”(superpositioning)，即它既可以是0、也可以是1。

尷尬的是，盡管這一特性讓它在計(jì)算能力方面擁有顯著優(yōu)點(diǎn)，但量子位也有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)，那就是量子位很容易出現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)”(flipping,狀態(tài)隨機(jī)地改變)，而且在不穩(wěn)定的環(huán)境中會(huì)更加嚴(yán)重。

Kelly說(shuō)到：“這使得我們很難處理信息，如果它消失了的話(huà)”。為了解決這個(gè)問(wèn)題，他們想出了全新的錯(cuò)誤檢測(cè)和校正方法——將信息同時(shí)存儲(chǔ)在多個(gè)量子位上。

該團(tuán)隊(duì)的想法是：“我們打造了一套包含9個(gè)量子比特、然后可以查找錯(cuò)誤的系統(tǒng)。網(wǎng)格中的量子位負(fù)責(zé)維護(hù)其鄰位信息(通過(guò)重復(fù)的誤差檢測(cè)和校正)，如此一來(lái)，相應(yīng)的信息就可以保存得比任何單獨(dú)的量子位都更長(zhǎng)久更準(zhǔn)確”。

       加州大學(xué)伯克利分校的研究人員，從左至右依次為Julian Kelly、John martinis、以及Rami Rarends。

       這么做的必要之處在于，量子態(tài)存在于量子比特之中：你可以知道一個(gè)粒子的位置，也可以衡量它的動(dòng)量(momentum)，但卻不能同時(shí)使用。

該校博士后研究員Rami Rarends稱(chēng)：“你不能衡量一個(gè)量子態(tài)，不能給期望它仍然是個(gè)量子。測(cè)量的行為會(huì)將量子比特鎖定到一種單一的狀態(tài)，而它也失去了成為疊加態(tài)的能力”。

為了做到這點(diǎn)，該?？茖W(xué)家兼工作人員Austin Fowler使用了所謂的“表面代碼”(Surface code)，以提供有關(guān)錯(cuò)誤的信息。

       通過(guò)反復(fù)測(cè)量矩陣中每個(gè)量子位與其相鄰數(shù)據(jù)的相互作用，測(cè)量值的變化就暗示了空間和時(shí)間上出現(xiàn)了錯(cuò)誤。

       簡(jiǎn)而言之，該代碼借用了“奇偶校驗(yàn)值”(parity information)來(lái)檢測(cè)原始數(shù)據(jù)的任何變化。

在這種狀態(tài)下，如果偏振狀態(tài)被施加到了一組量子位上，那么這些量子位就會(huì)被傳送到系統(tǒng)中的其它地方，而任何極化變化都可以通過(guò)原始狀態(tài)和傳輸過(guò)來(lái)的量子狀態(tài)的比對(duì)而得知。

       最終，我們可以拉出足夠的信息來(lái)檢測(cè)錯(cuò)誤，但又不會(huì)因?yàn)椤巴蹈Q”而破壞底層的量子態(tài)。

截至目前，該團(tuán)隊(duì)的研究已經(jīng)證明了可將一個(gè)量子位的“翻轉(zhuǎn)”錯(cuò)誤給否定掉。不過(guò)他們希望下一步能夠解決其它量子位“退相干”(decoherence)問(wèn)題，比如對(duì)“相位翻轉(zhuǎn)”錯(cuò)誤進(jìn)行“互補(bǔ)”。

       Martinis團(tuán)隊(duì)的高級(jí)研究人員們現(xiàn)在也有與Google進(jìn)行合作，以便進(jìn)一步探索該技術(shù)和研究量子計(jì)算的應(yīng)用。相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上。