参考消息网5月6日报道 据美国趣味科学网站4月29日报道，研究人员演示了一种突破性方法，能够预防光动力量子计算机出现错误。

  这项里程碑成果依托一种名为光子蒸馏的新技术来实现，它意味着物理学家距离研发出基于光的光量子计算机又近了一步。这类计算机能够在算力上超越传统超级计算机，实现量子优势。

  在一篇近日上传至预印本文献库的研究论文中，科研人员详细介绍了一种用于缓解光量子计算机错误的“净增益”方法。

  这项研究攻克了可以说是容错型通用量子计算机研发道路上最大的障碍，即导致计算任务失败的噪声错误。

  与超导量子计算机利用电子电路制造量子比特不同，光量子计算机则依靠光来驱动。科学家将光子束射入经过特殊设计的反射镜和分束器阵列中。随后光子本身会被调控为复杂的量子态，从而完成计算任务。

  这种量子计算模式的核心优势之一是可以在室温环境下运行。能够实现这一点的根本原因也是光量子计算最大问题的诱因：光量子计算机之所以在运行时不会产生过多的多余热量，是因为光子处于持续运动状态。光子在运动过程中通过彼此相互作用来完成计算。但这也会导致错误大幅增加。

  容错难题

  超导量子计算机必须通过为电路供能来制造量子比特，这一过程会产生热量。虽然光子不会遇到这一问题，但这有利有弊，因为光量子计算机非常不稳定。光子天生存在不完美的特性，这意味着通常会有相当比例的“坏”光子四处弹跳，破坏既定的计算任务。

  荷兰奎克斯量子公司首席科学家兼联合创始人耶尔默·雷内马对趣味科学网站说：“由于光子以光速运动，量子比特会在系统中持续移动。这些光子在芯片中相遇时会相互作用，这就是计算运行的方式。”

  雷内马说：“当某个光子不配合时，错误就会产生。时不时会出现个别不守规则的光子，它不会遵循其他光子的运行规律。”

  这类“流氓”光子会在系统中持续穿行，始终不与其他光子发生相互作用，进而产生明显的错误。由于这种情况在光子被转化为可处理信息的量子比特之前就已发生，传统的量子纠错方式很难解决这一问题。传统纠错方式通常是在量子比特错误出现后再进行处理。

  奎克斯量子公司运用一种名为光子蒸馏的技术，在错误产生之前就通过错误缓解从根源上解决问题。

  雷内马说：“通过设置量子干涉，‘流氓’光子抵达输出端的概率会低于正常运行光子抵达该输出端的概率。”

  概率属性

  概率属性是光量子计算的核心。正如雷内马所言：“光子学中的一切都具备概率属性。”研究人员将光子束射入一系列反射镜和分束器后，每个光子都有一定概率随意运动。如果不采取任何措施缓解错误，想要完成有效计算基本只能依靠运气。

  工程师为系统增设更多量子计算逻辑门后，单个光子运算成功的概率还会进一步降低。

  超导量子计算机可以增设逻辑量子比特，为物理量子比特提供容错能力，从而弥补错误。逻辑量子比特由共享相同数据的物理量子比特集合而成。当一个或多个物理量子比特出现故障时，集群内其他位置仍保留相关数据，计算过程不会中断。但在量子计算领域，增加冗余配置所引发的错误往往比能够修复的错误还要多。

  奎克斯量子公司的科研人员在论文中写道，光子蒸馏还具备“阈值以下错误缓解”特性。研究作者用这一指标说明，该技术能够在系统扩容时减少错误数量，而非像常规量子计算机扩容那样增加错误数量。

  超导量子计算机和中性原子量子计算机都已取得类似的里程碑式的容错成果。例如，谷歌公司2024年12月在其威洛量子处理单元上实现了阈值以下纠错。但这项新研究首次在光动力计算系统中实现这一成果。

  品质提升

  雷内马说：“制造单个合格量子比特需要消耗数量极其庞大的普通量子比特，这会让量子计算机的制造成本大幅飙升。所以存在这样一种利弊权衡。”

  光子蒸馏技术将存在缺陷的光子送入专用光学电路。该电路利用“量子干涉”剔除物理状态异常的光子，输出单个高品质光子。“量子干涉”是量子力学的一种奇异特性，即量子态的概率幅相互叠加。整个过程在光子转化为量子比特之前完成。

  这些高品质光子进入系统后，出现异常运行的概率大幅降低。即便计入光子作为量子比特使用过程中产生的所有错误，这种品质提升也能为纠错带来净收益。

  研究作者说，因为光量子计算机具备概率属性，所以这项实验演示了一种可规模化的错误缓解方案。该方案在扩容至足以完成实用量子计算的规模时，能够实现阈值以下的运行性能。（编译/卿松竹）