摘要：在量子设备工作过程中，噪声就像“机器里的幽灵” 。某些量子设备使用量子比特——任何量子处理器的核心组件——它们对环境中哪怕是微小的干扰都极其敏感。

哥本哈根 大学

量子研究人员部署了一种新算法来实时管理量子比特中的噪声。该方法可以应用于各种不同的量子比特，甚至大量量子比特。

在量子设备工作过程中，噪声就像“机器里的幽灵” 。某些量子设备使用量子比特——任何量子处理器的核心组件——它们对环境中哪怕是微小的干扰都极其敏感。

尼尔斯·玻尔研究所、麻省理工学院、挪威科技大学和莱顿大学的研究人员合作，现已开发出一种有效管理噪声的方法。该成果已发表在《PRX Quantum》杂志上。

量子态的退相干——那是什么？

量子设备中的噪声被广泛理解为任何干扰甚至改变你想要存储、操控或读取的相干态的因素。这种不必要的干扰通常被称为退相干。

量子设备具有极高的精度和灵敏度，远远高于经典物理学所能达到的水平，量子设备的功能有很多前景：大大提高医疗器械的精度，从而实现更好的诊断、分子或药物的量子模拟、增强信息技术的安全性并大大提高计算速度。

但它的代价是更高的退相干风险——其结果是，如果不以某种方式管理噪声，就不会产生任何新信息。

减轻退相干是一项有多种形式的挑战

噪声可能是量子位周围材料的电或磁波动，您可以通过多种方式来处理这个问题：优化量子位周围的材料，尝试优化它们的设计，使它们对环境的敏感度降低，或者像过去 10-15 年所做的那样，找到消除不可避免的噪声的方法以获得更好的性能。

Fabrizio Berritta 博士解释说：“你可以测量实际噪声，一旦我们知道了噪声，我们就可以纠正控制路径以减轻退相干。”

处理噪音时速度就是一切

来自尼尔斯玻尔研究所、哥本哈根大学、麻省理工学院、挪威科技大学和莱顿大学的研究人员现在正在对这项技术进行新的改进。

消除某些噪声的众多挑战之一是它必须以极快的速度进行。想象一下，你坐在设备旁的电脑前，接收量子设备的读数，试图纠正或消除噪声。

量子态读数到达你的桌面所需的时间太长了，以至于当你收到读数时，噪声已经发生了变化。你总是迟到——这是默认的。

“频率二分搜索”是解决方案的名称

因此，在 Fabrizio 就读麻省理工学院博士交换期间，他领导的研究团队开发并实施了所谓的“频率二进制搜索”。

该算法已在量子机器公司（Quantum Machines）的控制器上实现，该控制器集成了“现场可编程门阵列”（FPGA）。该控制器操作并读取量子比特，并收集每次实验的数据。然后，控制器估算量子比特频率，而无需将数据传输（相对较慢）到桌面。

量子比特频率会因为其周围的环境而波动，当实验结束时，研究人员可以“实时记录”收集到的数据和量子比特频率的波动。

如前所述，如果您知道噪声并且可以足够快地更新量子位控制，那么它是可控的。

使用新兴工具产生的新想法

“我们不习惯这些采用微波驱动的超导量子比特，因此在几周的时间里，Jacob Benestad、Jan Krzywda 和我与我们的主管坐下来讨论高效算法的选择。

“然后，我们与麻省理工学院的 Lukas Pahl 和 Melvin Mathews 一起通过实验验证了该算法。你可能会问，为什么我们现在才想到使用 FPGA，而不是更早的时候就想到用它呢？FPGA 已经存在多年，并且已经用于粒子加速器等设备中——但要对其进行编程，你需要特殊的技能——这更符合电子工程而非物理学的范畴。”

“你所需要的电子工程和物理学双重知识在我们的领域里非常稀缺。我们的工作得益于商用量子控制器，这使得我们能够通过类似于我们熟悉的 Python 的编程语言来使用 FPGA。”

“这使得许多实验室，不仅在哥本哈根，而且在世界各地，都能进行这类实验，”法布里齐奥说。

展望未来

“今天，在量子处理单元中，我们一般通过进行多次测量来校准这些量子位：数千次甚至数万次测量。

我们需要追踪频率波动，而这些波动会随着装置中量子比特的增加而增大。目前，我们处理的是数十或数百个量子比特，但也许有一天，我们的装置会包含数百万个量子比特。在尝试克服退相干时，我们自然会希望尽可能提高效率。

“通过频率二分搜索，你可以同时校准所有量子比特，其精度随着测量次数（实际上少于 10 次测量）呈指数级增长。随着未来量子比特数量的增加，我们应该能够找到我们方法的良好应用，”Fabrizio 解释道。

来源：科学迷思