纠错研究中发现有前途的量子态

在微观层面上，窗玻璃表现出奇怪的混合特性。像液体一样，它的原子是无序的，但像固体一样，它的原子是刚性的，因此施加到一个原子上的力会导致所有原子移动。

这是物理学家用来描述一种称为“量子自旋玻璃”的量子态的类比，其中量子计算机中的量子机械位(量子位)表现出无序性(呈现看似随机的值)和刚性(当一个量子位翻转时，因此做所有其他的)。康奈尔大学的一组研究人员在进行一个研究项目时意外地发现了这种量子态的存在，该项目旨在了解更多有关量子算法以及相关的量子计算纠错新策略的信息。

“测量量子粒子的位置会改变它的动量，反之亦然。同样，对于量子位来说，在测量它们时，有些量会相互改变。我们发现这些不相容测量的某些随机序列会导致量子自旋的形成——玻璃，”艺术与科学学院(A&S)物理学教授埃里希·穆勒(ErichMueller)说道。“我们工作的一个含义是，某些类型的信息会在具有我们模型特征的量子算法中自动受到保护。”

“二维培根肖尔电路中随机测量的子系统对称性、旋转玻璃阶数和临界性”于7月31日发表在《物理评论B》上。主要作者是物理学博士生VaibhavSharma。

物理学助理教授Chao-Mingjian(A&S)与Mueller是合著者。三人都在康奈尔大学原子与固体物理实验室(LASSP)进行研究。

“我们正在尝试理解量子算法的通用特征——超越任何特定算法的特征，”夏尔马说。“我们揭示这些普遍特征的策略是研究随机算法。我们发现某些类别的算法会导致隐藏的‘自旋玻璃’顺序。我们现在正在寻找其他形式的隐藏顺序，并认为这将引导我们找到量子态的新分类法。”

随机算法是那些将一定程度的随机性作为算法一部分的算法，例如，用随机数来决定下一步做什么。

Mueller针对2021年新前沿拨款“自主量子子系统纠错”的提案旨在通过开发一种新策略来纠正由环境噪声(即任何因素，例如宇宙射线或磁场)引起的量子处理器错误，从而简化量子计算机架构，这会干扰量子计算机的量子位，破坏信息。

穆勒说，经典计算机系统的比特受到纠错码的保护;信息被复制，这样如果有一位“翻转”，您就可以检测到它并修复错误。“为了让量子计算现在和将来都可行，我们需要想出以同样的方式保护量子位的方法。”

“纠错的关键是冗余，”穆勒说。“如果我发送一个位的三个副本，您可以通过将这些位相互比较来判断是否存在错误。我们借用密码学的语言来讨论此类策略，并将重复的一组位称为“码字”。”

当他们发现自旋玻璃顺序时，穆勒和他的团队正在研究一种概括，即使用多个代码字来表示相同的信息。例如，在子系统代码中，位“1”可能以4种不同的方式存储：111;100;101;和001。

“量子子系统代码的额外自由简化了检测和纠正错误的过程，”穆勒说。

研究人员强调，当他们开始这项研究时，他们不仅仅是试图生成更好的错误保护方案。相反，他们研究随机算法是为了了解所有此类算法的一般属性。

“有趣的是，我们发现了不平凡的结构，”穆勒说。“最引人注目的是这种自旋玻璃顺序的存在，这表明存在一些额外的隐藏信息，这些信息应该可以以某种方式用于计算，尽管我们还不知道如何使用。”