康乃爾大學的研究人員在量子計算中發現了一種”量子自旋玻璃”態，為糾錯提供了見解，並揭示了量子演算法中的隱藏指令，有可能帶來新的量子態分類和量子計算的進步。

在微觀層面上，窗玻璃呈現出一種奇妙的混合特性。它的原子像液體一樣無序，但又具有固體的剛性；當一個原子受力時，會影響到其他所有原子。物理學家用這種比喻來描述一種被稱為”量子自旋玻璃”的量子態，量子計算機中的量子力學比特（量子比特）既表現出無序性（具有看似隨機的值），又表現出剛性（當一個量子位元翻轉時，其他所有量子位元也會翻轉）。康乃爾大學的一組研究人員在進行研究計畫時意外地發現了這種量子態的存在，該計畫旨在進一步了解量子演算法以及相關的量子計算糾錯新策略。

“測量量子粒子的位置會改變其動量，反之亦然。同樣，對於量子位元來說，有些量在測量時會相互改變。我們發現，這些不相容測量的某些隨機序列會導致量子自旋玻璃的形成，”康乃爾大學文理學院（A&S）物理學教授Erich Mueller 說。”我們工作的一個意義是，某些類型的信息在量子演算法中會自動受到保護，而這些演算法與我們的模型具有相同的特徵。”

這項研究最近發表在《物理評論B》。第一作者是物理學博士生Vaibhav Sharma。

物理學助理教授簡超明與穆勒是共同作者。三人都在康乃爾大學原子和固體物理實驗室（LASSP）從事研究工作。這項研究得到了文理學院新前沿基金的資助。

夏爾馬說：”我們正試圖理解量子演算法的通用特徵–超越任何特定演算法的特徵。我們揭示這些普遍特徵的策略是研究隨機演算法。我們發現，某些演算法類別會導致隱藏的’自旋玻璃’秩序。我們現在正在尋找其他形式的隱藏秩序，並認為這將為我們帶來量子態的新分類法。”

隨機演算法是指將一定程度的隨機性作為演算法一部分的演算法–例如，用隨機數決定下一步該做什麼。

量子糾錯的進步

穆勒的2021年新前沿資助提案”自主量子子系統糾錯”旨在簡化量子計算機體系結構，方法是開發一種新策略來糾正由環境噪聲（即宇宙射線或磁場等任何會幹擾量子計算機量子比特、破壞訊息的因素）所造成的量子處理器錯誤。

穆勒說，經典電腦系統的位元受到糾錯碼的保護；資訊被複製，因此如果某個位元”翻轉”，你可以偵測到它並修復錯誤。”要想讓量子運算在現在和未來都行得通，我們需要想出以同樣方式保護量子位元的方法。糾錯的關鍵在於冗餘。如果我發送一個位元的三個副本，你可以透過位元之間的比較來判斷是否有錯誤。我們借用密碼學的語言來談論這種策略，並把重複的比特集合稱為’密碼’。”

穆勒和他的團隊在發現自旋玻璃順序時，正在研究一種通用方法，即使用多個編碼詞來表示相同的訊息。例如，在一個子系統代碼中，位元”1″可能有4 種不同的儲存方式： 111、100、101 和001。量子子系統程式碼中的額外自由度簡化了偵測和修正錯誤的過程。

研究人員強調，他們在開始這項研究時，並不是單純地試圖產生更好的錯誤保護方案。相反，他們正在研究隨機演算法，以了解所有此類演算法的一般特性。

穆勒說：”有趣的是，我們發現了非同尋常的結構。最引人注目的是這種自旋玻璃階的存在，這表明有一些額外的隱藏信息漂浮在周圍，這些信息應該可以以某種方式用於計算，儘管我們還不知道如何使用。”

參考文獻Vaibhav Sharma、Chao-Ming Jian 和Erich J. Mueller，2023 年7 月31 日，《物理評論B》，”二維貝肯-肖電路中的子系統對稱性、自旋玻璃階和隨機測量的臨界性”。

DOI：10.1103/PhysRevB.108.024205

編譯來源：ScitechDaily