随机性有助于量子机器验证其准确性

在量子计算机和其他实验量子系统中，信息在设备周围传播，并迅速像拼字游戏中的骰子一样被打乱。这种置乱过程发生在系统的基本单位，称为量子位(就像计算机比特只有量子)彼此纠缠时;纠缠是量子物理学中的一种现象，粒子之间相互连接，即使没有直接接触也保持联系。

这些量子器件模拟自然界发生的事情，使科学家能够开发出新的、奇异的材料，这些材料可能在医学、计算机电子和其他领域有用。虽然全面的量子计算机还需要数年时间才能实现，但研究人员已经在所谓的量子模拟器上进行实验，量子模拟器是为解决特定问题而量身定制的量子设备，例如有效模拟高温超导体和其他量子材料。这些机器还可以解决复杂的优化问题，比如为自动驾驶车辆规划路线，以确保它们不会相撞。

使用这些量子计算机的一个挑战是，它们非常容易出错，比经典计算机更容易出错。在这些新系统中识别错误也要困难得多。“在很大程度上，量子计算机会犯很多错误，”加州理工学院物理系研究生亚当·肖(Adam Shaw)说，他是该杂志上一项研究的两位主要作者之一自然关于一种验证量子器件准确性的新方法。“你不能打开机器看里面，里面存储着大量的信息——对于传统的计算机来说，这太多了，无法解释和验证。”

在自然在这项研究中，Shaw和联合主要作者Joonhee Choi(加州理工学院前博士后学者，现任斯坦福大学教授)展示了一种测量量子设备精度(也称为保真度)的新方法。两位研究人员都在实验室工作Manuel Endres他是加州理工学院的物理学教授，也是罗森博格学者。他们新策略的关键在于随机性。科学家们发现并描述了一种与量子系统中信息被打乱的方式有关的新类型的随机性。但是，即使量子行为是随机的，也可以在噪声中识别出普遍的统计模式。

“我们有兴趣更好地了解当信息被打乱时会发生什么，”崔说。“通过统计分析这种行为，我们可以寻找模式中的偏差，这表明已经犯了错误。”

“我们不只是想要量子机器的结果;我们想要一个经过验证的结果，”恩德斯说。“由于量子混沌，一个单一的微观错误会导致完全不同的宏观结果，这与蝴蝶效应非常相似。这使我们能够有效地检测错误。”

研究人员在一个多达25个量子比特的量子模拟器上演示了他们的协议。为了发现是否发生了错误，他们对系统的行为进行了数千次的测量，直到单个量子比特级别。通过观察量子比特如何随着时间的推移而进化，研究人员可以识别看似随机行为中的模式，然后寻找与他们预期的偏差。最终，通过发现错误，研究人员将知道如何以及何时修复它们。

Choi说:“我们可以用单个量子比特分辨率追踪信息如何在系统中移动。”“我们能做到这一点的原因是，我们还发现，这种自然发生的随机性只在一个量子比特的水平上表现出来。你可以在系统的子部分中看到普遍的随机模式。”

肖把他们的工作比作测量湖面上波浪的起伏。“如果有风来了，你会看到湖面上的波峰和波谷，虽然它看起来是随机的，但人们可以识别出这种随机性的模式，并追踪风是如何影响湖水的。我们可以通过分析模式的变化来判断风是否发生了变化。我们的新方法同样允许我们在量子系统中寻找可以指示错误的变化。”

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