  近日，美國能源部（DOE）西北太平洋國家實驗室（PNNL）的科學家開拓了兩種全新的方法來降低量子計算機的噪音，一種是通過楊-巴克斯特方程方程，另一種是通過哈密頓矩法。 二者均通過 IBM 量子計算機進行了驗證，并取得了完美的結果。 01. 錯誤的產生 一直以來，無論是研究界還是工業(yè)界，量子計算始終面臨著一個巨大的挑戰(zhàn)，那便是糾錯。 提及量子糾錯，最重要的一個便是克服“噪聲”，許多量子系統(tǒng)本身對外部環(huán)境高度敏感，噪聲的產生是因為物理系統(tǒng)和自然系統(tǒng)并不是孤立存在的，它們僅僅是一個更大環(huán)境中的一部分，該環(huán)境內有許多粒子，且每個粒子都在不同的、未知的方向上運動，這種隨機性會產生熱波動。 也就是說，量子比特在運行時設備中的噪聲已經存在。 在處理測量計算時，噪聲影響，使計算結果表現出誤差。例如，圖像識別算法中的噪聲可能導致程序將一輛手推車誤認為自行車。所以，我們所說的消除“噪聲”或者誤差，即是消除存儲在設備中的數據的隨機波動。
02. 傳統(tǒng)解決糾錯的方法 噪聲的存在將削弱量子計算機的大量計算能力。而傳統(tǒng)的減少噪聲的方法是通過捕獲噪聲產生的各種可能性以通過相關的算法或添加更多的量子輔助比特來降低噪聲產生的誤差。 但是，算法的開發(fā)將耗費大量的資源，而通過添加量子輔助比特則可能需要數千個標準量子比特才能創(chuàng)建一個高度可靠的邏輯量子比特（Logic Qubits）。 03. 楊-巴克斯特方程 美國能源部（DOE）西北太平洋國家實驗室（PNNL）的科學家Bo Peng團隊開拓了一種全新的方法來減小量子計算機的噪音問題，即通過應用楊-巴克斯特方程（Yang-Baxter）方程，壓縮量子線路。并在 IBM 的量子計算機上驗證了其可靠性。
圖｜Yang-Baxter（來源：維基） 量子比特是傳統(tǒng)計算比特的量子版本，其可以有多種形式，如光子、超導、離子阱等。 在Peng的研究中，Peng 專注于超導線路。該線路計算量子系統(tǒng)如何隨時間變化。 假設你想看看一個量子系統(tǒng)（如一個原子陣列）在受到磁踢（Magnetic Kick）后是如何反應的。描述原子的量子演化所需的步驟越多，表示它所需的線路就越長，并且需要更多的線路層來適應長度。 不幸的是，更多的層數意味著更嘈雜的量子比特。Peng和他的團隊為自己設定了一個挑戰(zhàn)，即在不犧牲精度的情況下將線路的功能壓縮到更少的層中。 Peng的團隊包括阿貢的科學家Yuri Alexeev和Sahil Gulania以及PNNL的科學家Niri Govind。 他們克服了這一挑戰(zhàn)。他們的解決方案在于一個被稱為楊-巴克斯特方程的基本數學關系。通過應用這個方程，他們能夠構建層數較少的線路。 這種壓縮線路使他們能夠在嘈雜的量子設備上有效地進行系統(tǒng)的時間演化。 更重要的是，壓縮線路產生的保真度比多層線路高得多。
圖｜Bo Peng（來源：太平洋西北國家實驗室） Peng表示：在提高了最終量子態(tài)的保真度的同時，增加了模擬的準確性。我們在數學上表明，你最終得到完全相同的結果的層數與所代表的量子比特的數量呈線性增長，這意味著與我們開始時相比，層數明顯減少。 使用楊-巴克斯特方程可能是壓縮量子比特線路幾種數學方法之一。 Peng表示，楊-巴克斯特方程可能只是這個偉大壓縮故事的起點。可能還有其他關系，我們可以用來做其他類型的壓縮。 我們可能還可以在其他領域應用這一點，例如優(yōu)化問題，您可以在其中找到完成某些任務的最佳路徑。 04. 哈密頓矩法糾錯 Peng 的另一項糾錯方法稱為哈密頓矩法（Hamiltonian moments method），同樣的技術在 IBM 量子計算機上產生了完美的結果，在運行分子中的能量問題時得到了正確的能量值。
當我們考慮計算一個分子中的能量問題。首先，用所有必要的規(guī)范編寫它的數學描述。然后，以一種可以在量子設備上計算其能量的方式對這一描述進行編碼。 該設備發(fā)出了它的響應，但它是有噪音的，這意味著結果要么是錯誤的，要么是不太精確而沒有用途。 Peng發(fā)現，通過將一些高等代數應用于設備的響應，可以對其進行改進，就像是在粗略的測量中使其精化到小數位。 哈密頓矩方法使科學家能夠接近分子的真實能量，而不必滿足于怎樣處理量子設備最初的嘈雜、錯誤的讀數。 該方法是量子計算的量子經典混合方法的一個例子。Peng 將量子設備的計算能力（分子模型編碼在量子設備上）與久經考驗的傳統(tǒng)計算方法（以數學方法修正設備的響應）相結合。 這也是對通常的糾錯方法的一種替代，這些方法是在量子設備本身進行的。 Peng表示，有很多經典計算方法可以用來減少量子誤差，我們正在集思廣益不同的方法。我們不應該將自己局限于傳統(tǒng)的方式，人們習慣于思考的方式。 05. 新事物，新思物 使用量子設備來觀察量子系統(tǒng)如何隨時間變化，使用楊-巴克斯特關系來壓縮量子比特線路，這些都是量子科學的新興領域。 從經典計算轉向量子計算研究意味著徹底改變計算的思考方式。 Peng于2016年從華盛頓大學獲得理論化學博士學位，并于當年加入PNNL，成為著名的Linus Pauling博士后研究員。他開始研究多個物體相互作用的動力學，或稱多體理論。然而，計算多體相互作用需要比許多學生接受的單體建模更密集的計算。 Peng表示，我們不得不用多體理論刷新我們的想法，從不同的角度思考相同的現象，這對我來說是一個非常自然的過渡，從傳統(tǒng)的物理化學到計算科學，我們把這些多體理論放到軟件里。 這也是通往量子模擬研究的一個自然的墊腳石，這需要把自己的思維從經典模式轉向量子計算模式。 無論是自學成才的專家還是在量子信息科學領域開辟新天地的自學研究者，都必須不斷地重新思考自然界是如何運作的。 Peng表示，我在經典計算中接受了大部分培訓，所以我傾向于以傳統(tǒng)的方式思考某些現象。 有了量子，新事物就會出現，然后你的大腦就會發(fā)生沖突，迫使你學習新事物。 這就像嬰兒學習新事物時，對他們來說可能更容易。 但對于成年人來說，要學習新東西，我們必須擺脫一些舊的思維方式。 引用： [1]https://www./article/bo-peng-ensures-quantum-computers-dont-bring-in-da-noise  |
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