作者小格伦·罗伯茨
劳伦斯·伯克利国家实验室 一个轮子形状的μ子探测器是欧洲粒子物理研究所阿特拉斯粒子探测器升级的一部分
一项新的研究将用于粒子探测器的“展开”或纠错技术应用于量子计算中的噪声问题
荣誉:朱利安·马里乌斯·奥登/欧洲核子研究中心 借用高能物理和天文学教科书中的一页，美国大学的一组物理学家和计算机科学家
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能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)已经成功地将一种常见的减少误差技术应用到量子计算领域
在亚原子粒子和巨型粒子探测器的世界里，在遥远的星系和巨型望远镜的世界里，科学家们学会了在不确定性中生活和工作
他们经常试图从其他粒子相互作用和背景“噪声”的巨大纠结中梳理出超稀有粒子的相互作用，这使得他们的搜寻变得复杂，或者试图过滤掉大气扭曲和星际尘埃的影响，以提高天文成像的分辨率
此外，探测器的固有问题，如记录所有粒子相互作用或精确测量粒子能量的能力，可能导致数据被与之相连的电子设备误读，因此科学家需要以计算机算法的形式设计复杂的滤波器，以降低误差幅度并返回最准确的结果
噪声和物理缺陷的问题，以及减少错误频率和严重性的纠错和错误缓解算法的需要，在量子计算的新兴领域也很常见，发表在《npj量子信息》杂志上的一项研究发现，似乎也有一些共同的解决方案
本·纳奇曼是伯克利实验室的物理学家，作为伯克利实验室阿特拉斯小组的成员之一，他参与了欧洲粒子物理研究所的粒子物理实验。他在与伯克利实验室的理论物理学家克里斯蒂安·鲍埃尔一起进行粒子物理计算时，发现了量子计算的联系。是这项研究的合著者
阿特拉斯是欧洲粒子物理研究所大型强子对撞机的四个巨型粒子探测器之一，这是世界上最大和最强大的粒子对撞机
该研究的主要作者纳奇曼说:“在阿特拉斯系统中，我们经常不得不‘展开’或校正探测器效应。”
“多年来，人们一直在开发这项技术
" 在LHC的实验中，被称为质子的粒子以每秒10亿次的速度碰撞
为了应对这种异常繁忙的“嘈杂”环境，以及与能量分辨率和探测器相关的其他因素相关的内在问题，物理学家使用纠错“展开”技术和其他过滤器来筛选这些粒子，以获得最有用、最准确的数据
“我们意识到目前的量子计算机也非常嘈杂，”纳奇曼说，所以找到一种方法来减少这种噪音并最大限度地减少错误——减少错误——是推进量子计算的关键
“一种错误与你的实际操作有关，另一种与读出量子计算机的状态有关，”他指出——第一种被称为门错误，后者被称为读出错误
最新的研究集中在一种减少读出误差的技术上，称为“迭代贝叶斯展开”(IBU)，这是高能物理界所熟悉的
该研究比较了这种方法与其他纠错和缓解技术的有效性
IBU方法是基于贝叶斯定理的，它提供了一种数学方法，当与事件相关的其他条件已知时，可以找到事件发生的概率
纳奇曼指出，这种技术可以应用于经典计算机的量子模拟，称为基于通用门的量子计算机
这些图表显示了与粒子散射相关的分类高能物理测量——称为微分截面测量(左)——和量子计算机输出的重复测量(右)之间的联系
这些相似性为将相似的错误缓解技术应用于来自两个领域的数据提供了机会
学分:伯克利实验室；npj Quantum Inf 6，84 (2020)，DOE: 10
1038/s 14534-020-00309-7 在依赖量子比特来携带信息的量子计算中，被称为量子叠加的脆弱状态很难保持，并且会随着时间的推移而衰减，导致量子比特显示零而不是一——这是读出错误的一个常见例子
叠加意味着一个量子位可以同时代表一个0、一个1或两个量
这实现了在传统计算中不可能实现的独特计算能力，传统计算依赖于代表1或0的位，但不是同时代表两者
量子计算机中读出误差的另一个来源是由于计算机的结构导致的量子位状态的错误测量
在这项研究中，研究人员模拟了一台量子计算机，以比较三种不同的纠错(或纠错或展开)技术的性能
他们发现，IBU方法在非常嘈杂、容易出错的环境中更加稳健，并且在更常见的噪声模式下略优于其他两种方法
它的性能被比作一种叫做伊格尼丝的纠错方法，它是为国际商用机器公司的量子计算机开发的开源量子计算软件开发工具的一部分，也是一种被称为矩阵求逆方法的非常基本的展开形式
研究人员使用模拟的量子计算环境进行了1000多个伪实验，他们发现IBU方法的结果最接近预测
用于这一分析的噪声模型是在一台名为IBM Q约翰内斯堡的20位量子计算机上测量的
“我们从高能物理中提取了一种非常常见的技术，并将其应用到量子计算中，它非常有效——这是应该的，”纳奇曼说
有一个陡峭的学习曲线
“我必须学习各种关于量子计算的知识，以确保我知道如何翻译并在量子计算机上实现它
" 他说，他也非常幸运地在伯克利实验室找到了在量子计算方面有专长的研究合作者，包括伯特·德容，他领导能源部高级科学计算研究办公室量子算法小组和伯克利实验室计算研究部的量子计算加速研究项目
德容说:“看到高能物理界为了从嘈杂的实验中获得最大收益而开发的大量知识如何被用来从嘈杂的量子计算机中获得更多，这是令人兴奋的。”
纳奇曼说，研究中使用的模拟和真实量子计算机从5个量子比特到20个量子比特不等，这项技术应该可以扩展到更大的系统
但是，随着量子计算机规模的增加，研究人员测试的纠错和纠错技术将需要更多的计算资源，所以纳奇曼说，该团队专注于如何使这些方法更易于具有更大量子位阵列的量子计算机管理
纳奇曼、鲍尔和德容也参与了早期的一项研究，该研究提出了一种减少门误差的方法，门误差是量子计算误差的另一个主要来源
他们认为，量子计算中的纠错和纠错最终可能需要一种混合匹配的方法——使用几种技术的组合
“这是一个激动人心的时刻，”纳奇曼说，因为量子计算领域还很年轻，还有很大的创新空间
“人们至少已经得到了关于这些方法的信息，还有进步的空间
他指出，量子计算提供了“以新的方式思考问题的推动力”，并补充道，“它开启了新的科学潜力。”
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