對於人類來說，噪聲的影響可能相對有限。但是對於極其敏感的量子計算機來說，隨著計算任務變得越來越複雜，“噪聲”遲早會成為一個難以逾越的障礙。有趣的是，來自芝加哥大學和普渡大學的一支科學家團隊，卻藉此在量子計算機上構建一個獨特的“噪聲指紋”。這項特殊的研究，或為量子技術開闢新的使用領域。

資料圖（來自：IBM Q System）

通常情況下，科學家會嘗試測量噪聲並予以校正，但實際效果只能說好壞參半。然而芝加哥大學和普渡大學的科學家們，卻開發出了一項新技術。

據悉，他們沒有直接嘗試測量噪聲，而是在量子計算機上構建了一個獨特的噪聲“指紋”，然後通過在計算機上運行的一款程序來呈現。

研究配圖- 1：單量子比特/ 模擬時間演化的頻率掃描圖

研究團隊稱，新方法為其指明了減輕噪聲問題新方向，同時讓用戶能夠將噪聲轉換為一種獨特的優勢。

論文合著者、來自詹姆斯·弗蘭克研究所和芝加哥量子交易所的化學系教授David Mazziotti 說到：“我們想要知道是否有辦法處理噪聲，而不是遏制它”。

研究配圖- 2：不同頻率的變化率/ 響度與模擬時間的變化

SCI Tech Daily 指出：量子計算機基於粒子在原子層面遵循的一套非常奇怪的行為規律—— 它們能夠同時處於兩種不同的狀態，或在空間中呈“糾纏”態。

科學家們希望在量子計算機上利用這些能力，以更好地理解自然世界的規則。因為根據量子力學的定律，理論上我們有望藉助量子計算機，更輕鬆地開展相關模擬。

研究配圖- 3：不同設備/ 量子比特模擬時間的演化演示

過去十年，量子計算機技術已取得相對不錯的早期進展，但遺憾的是，其算力仍遠遠落後於科學家們的預期。

即使想要暴力堆砌更多的“量子比特”，也得面臨噪聲可能導致的不准確性問題—— 意味著我們難以開展較大的運算任務。

研究配圖- 4：一定頻率範圍內/ 相對於模擬時間的單量子比特狀態軌跡

研究合著者、普渡大學物理與化學教授Saber Kais 表示，現在是時候採取新的方法了。此前科學家們試圖通過直接測量每個量子比特中的噪聲來了解其影響，但對這些離散的變化進行分類是異常困難的。

此外研究小組認為，這可能並非始終最有效的途徑。研究合著者、普渡大學博士後研究員Zixuan Hu 補充道：“在物理學中，理解系統的整體行為，實際上比了解各個部分在做什麼更容易”。

研究配圖- 5：雙量子比特- 本地系統的模擬時間演化/ 狀態轉換

舉個例子，我們很難模擬一杯水中的每個分子在做什麼，但預測其整體行為則要容易得多。為此，科學家們沒有嘗試精確測量實際噪聲、而是試圖了解量子計算機所經歷的整體噪聲。

他們選擇了一種顯示量子分子行為的特定計算，並將其在量子計算機上模擬運行。然後從幾個不同的方向調節問題的設置，並跟踪噪聲是如何給出響應的。

研究配圖- 6：在相關雙量子比特系統上的模擬時間演化演示

Mazziotti 表示：“通過將所有因素結合到一起，我們得以構建正在運行的模擬所感知的噪聲的獨特’指紋’”。此外Hu 解釋稱，只需對一個眾所周知的分子進行計算，即有助於梳理出噪聲的具體影響。

Hu 說：“我們對量子計算機和噪聲知之甚少，但非常清楚這種分子在活躍時的行為。因此我們選用了不太了解的量子計算機來模擬我們熟悉的分子，並觀察其行為方式。通過熟悉這些模式，便可得出一些結論”。

（來自：Nature Communications）

研究一作、來自芝加哥大學的Scott Smart 博士表示，這種操作更似“鳥瞰”量子計算機模擬的噪聲，且他們希望這些信息能夠幫助研究人員思考如何設計新的方法來控制噪聲、甚至提出獨特的噪聲利用方法。

舉個例子，如果嘗試模擬現實世界中的分子等量子系統，你將知曉它會遇到噪聲—— 因為現實世界中就存在著噪聲。而在以往的方法中，研究人員通常只靠硬堆算力來加入相關噪聲的模擬。