秒懂百科2024年11月12日发布:物理学家利用振动来防止量子计算中的信息丢失

量子计算是一个已经吸引了数十亿美元支持的领域，这些支持来自科技投资者和行业巨头，包括 IBM、Google和微软。但是，如果最微小的振动从外界侵入，就会导致量子系统丢失信息。例如，如果光有足够的能量使量子处理器芯片内的原子发生抖动，甚至也会导致信息泄露。

密歇根州立大学的研究人员发现了如何利用振动（通常是量子计算中的障碍）作为稳定量子态的工具。他们的研究为控制量子系统中的环境因素提供了见解，并对量子技术的发展产生了影响。

当量子系统（如量子计算机中使用的量子系统）在现实世界中运行时，它们可能会因机械振动而丢失信息。

然而，由密歇根州立大学领导的新研究表明，更好地理解量子系统与这些振动之间的耦合关系可以用来减少损失。

这项发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上的研究可以帮助改进 IBM 和Google等公司目前正在开发的量子计算机的设计。

振动问题

密歇根州立大学博士生乔-基茨曼（Joe Kitzman）说："每个人都对建造量子计算机来回答真正困难和重要的问题感到非常兴奋。但振动激发真的会把量子处理器搞得一团糟。"

然而，通过发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上的新研究，基茨曼和他的同事们表明，这些振动并不一定是阻碍。事实上，它们可能有利于量子技术。

"如果我们能够理解振动是如何与我们的系统耦合的，我们就可以将其作为一种资源和工具，用于创建和稳定某些类型的量子态，"基茨曼说。

量子技术的好处

这意味着研究人员可以利用这些成果帮助减少量子比特或量子比特（读作"q bits"）丢失的信息。传统计算机依赖于清晰的二进制逻辑。比特以两种不同的可能状态之一（通常表示为 0 或 1）来编码信息。而 Qubits 则更加灵活，可以同时存在于 0 和 1 两种状态。

虽然这听起来像是作弊，但它完全符合量子力学的规则。尽管如此，在解决科学、金融和网络安全等多个领域的某些问题时，量子计算机的这一特性应该会比传统计算机更具优势。

进一步的影响和实验

除了对量子技术的影响，MSU 领导的团队的报告还有助于为未来的实验奠定基础，以便更好地探索量子系统。

MSU 物理与天文学系杰里-考恩物理学捐赠讲座教授约翰内斯-波拉南（Johannes Pollanen）说："理想情况下，想把你的系统与环境分开，但环境始终存在。它几乎就像你不想处理的垃圾，但当你处理它时，你可以了解量子世界的各种精彩元素。"

量子系统和新兴技术

Pollanen 还领导着自然科学学院的混合量子系统实验室，Kitzman 也是该实验室的成员之一。在 Pollanen 和 Kitzman 领导的实验中，研究小组建立了一个由超导量子比特和所谓的表面声波谐振器组成的系统。

这些量子比特是开发量子计算机的公司中最受欢迎的品种之一。机械谐振器用于许多现代通信设备，包括手机和车库门开启器，而现在，像波拉宁这样的研究小组正在将它们用于新兴的量子技术。

研究小组的谐振器使研究人员能够调整量子比特所经历的振动，并了解两者之间的机械相互作用如何影响量子信息的保真度。

Pollanen说："我们正在创建一个范例系统，以了解这种信息是如何被扰乱的。我们可以控制环境，在这种情况下，可以控制谐振器中的机械振动，也可以控制量子位"。

"如果你能了解这些环境损耗是如何影响系统的，你就可以利用这一点，"基茨曼说。"解决问题的第一步就是了解问题"。

Pollanen说，MSU是仅有的几个有设备和人员在这些耦合量子比特-机械谐振器装置上进行实验的地方之一，研究人员很高兴能利用他们的系统进行进一步的探索。