量子计算相变显示出临界点

通过测量量子计算系统在不触发量子态崩溃的情况下可以执行的操作数量，研究人员深入了解了其他系统(包括自然系统和计算系统)是如何在阶段之间达到临界点的。该结果也为致力于实现量子纠错的计算机科学家提供了指导，最终将使量子计算机发挥其全部潜力。

当水加热到沸腾时，分子的运动随着温度的变化而变化，直到达到临界点，开始变成蒸汽。以类似的方式，量子计算系统可以越来越多地以离散的时间步骤进行操作，直到其量子状态崩溃为单一的解决方案。

“物质的相和量子理论之间存在着深刻的联系，这就是它的迷人之处，”他说水晶诺尔他是杜克大学电气、计算机工程和物理学的助理教授。“量子计算系统的行为与自然界中发现的量子系统相同，就像液体变成蒸汽一样，尽管它是数字的。”

量子计算机的强大之处在于它们的量子位同时是1和0的某种组合的能力，随着更多量子位的添加，系统复杂性呈指数级增长。这使他们能够以大量的并行性来解决问题，就像试图一次将拼图的所有碎片拼凑在一起，而不是一次一个。然而，量子比特必须能够保持它们的量子不确定性，直到达成解决方案。

这带来的众多挑战之一是纠错。有些量子比特将不可避免地丢失一条信息，系统必须能够发现并修复这些错误。但由于量子系统在测量时失去了“量子性”，因此密切关注误差是一项棘手的任务。即使有额外的量子比特监视着事物量子算法被探测的错误越多，它失败的可能性就越大。

诺埃尔说:“就像水分子濒临变成蒸汽一样，量子计算机在失去量子信息之前可以承受测量的阈值。”“测量的数量是计算机能够承受多少错误而仍能正常工作的一个类比。”

在这篇新论文中，诺埃尔和她的同事们探讨了过渡阈值和系统两侧的状态。

密切配合克里斯托弗·梦露他是杜克大学吉胡利家族工程和物理学总统特聘教授，Marko Cetina杜克大学物理学助理教授、马里兰大学和美国国家标准与技术研究所的迈克尔·古兰斯(Michael Gullans)和阿列克谢·戈尔什科夫(Alexey Gorshkov)共同设计了一种软件，可以运行根据量子系统能力量身定制的随机量子电路。实验是在其中一个杜克量子中心离子阱量子计算机——世界上最强大的量子计算系统之一。

诺埃尔说:“系统中量子比特的数量、操作的保真度和系统自动化水平同时结合在一起，对这个量子计算机系统来说是独一无二的。”“其他体系能够单独实现这三种目标，但从未在一个学术体系中同时实现这三种目标。这就是我们能够进行这些实验的原因。”

通过对许多随机电路进行平均，该团队能够看到测量频率如何影响量子比特。正如预测的那样，出现了一个临界点，在这个临界点上，系统不可避免地失去了相干性和量子信息，通过观察系统在相变两侧的表现，研究人员将能够在未来建立更好的纠错代码方法。

这些数据还提供了一个独特的视角，让我们了解自然界中其他相变是如何发生的，这是研究人员以前从未见过的。

门罗说:“这个演示是我们在杜克量子中心所做的独特工作的一个完美例子。”“虽然我们的量子计算机是由受电磁陷阱、激光和光学精密控制的原子组成的，但我们可以部署这些系统来做一些完全不同的事情，在这种情况下，探测相变的潜在量子性质。同样的量子计算机也可以应用于解决化学反应、DNA测序和天体物理学等领域的棘手模型。这不仅需要原子物理方面的专业知识，还需要系统工程、计算机科学以及任何定义应用程序运行的领域的专业知识。”

-由CFE媒体和技术副主编摩根·格林编辑，mgreen@cfemedia.com

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