有用的量子网络受到环境“噪声”的退相干问题的阻碍。但新的突破可能会改变这种情况。
艺术家对量子计算机内部纠缠量子比特的插图。 （图片来源：Getty Images）
科学家们发现了一种开创性的方法，可以保护量子信息免受“噪声”的影响，它最终可以让我们构建实用的量子计算机。
量子计算机依赖于量子纠缠，即两个粒子的量子特性之间的联系，这两个粒子在时间和空间上瞬间共享。这使得量子计算机能够执行比传统计算机更快的计算，因为它们可以并行处理信息，而不是按顺序处理信息。
但是，由于来自外部世界的“噪声”，保持这种“连贯性”是困难的，因为与松散粒子、光线的相互作用，甚至是温度的微小变化都可以打破纠缠并分散内部的信息。这就是为什么量子比特的错误率远高于经典计算中的传统比特。
“基本上，即使公司声称 [他们拥有] 1,000 个量子比特，但其中很少有有用的。噪音是原因，“该研究的合著者、南非约翰内斯堡金山大学物理学教授安德鲁·福布斯 （Andrew Forbes） 。“每个人都同意，除非我们能减少量子比特的噪声，否则推动更多的量子比特是没有意义的。”
现在，通过对两个纠缠光子的拓扑结构（或源于形状的属性）中的信息进行编码，一组物理学家找到了一种即使在噪声风暴中也能保存量子信息的方法。研究人员于 3 月 26 日在《自然通讯》杂志上发表了他们的发现。
与传统计算机比特是数字信息的基本单位的方式大致相同，量子比特对量子信息进行编码。与位一样，量子比特可以以 1 或 0 的形式存在，表示双态系统中的两个可能位置。
由于量子世界的奇异规则，量子比特也可以存在于两个经典状态的理论无限叠加中。当它们被纠缠在量子计算机中时，它们处理数字的能力呈指数级增长。
但这个量子菊花链很脆弱：即使被安置在极冷且高度绝缘的低温恒温器中，当前的量子计算机仍然会受到微小干扰的渗透，这些干扰会迅速破坏内部的微妙过程。
量子降噪防止量子退相干的典型策略是保持纠缠，但到目前为止，这只取得了相对的成功。为了寻找解决这个问题的方法，这项新研究背后的研究人员试图在已经部分解聚的系统中保留信息。
“我们决定让纠缠衰减——它总是脆弱的，所以就这样吧——而是保留信息，即使纠缠非常少，”福布斯说。
为了找到解决方案，Forbes 和他的同事们转向了一种称为“拓扑量子比特”的量子比特，这种量子比特以两个纠缠粒子形成的形状对信息进行编码。他们确定了一种称为光学斯格明子的准粒子，这是一种在两个纠缠光子之间形成的波状场。
在将斯格明子暴露在不同程度的噪声中后，研究人员发现，其中编码的模式和信息仍然具有弹性，远远超过了非拓扑系统会退相的程度。
“事实证明，只要存在一些纠缠，无论多么小，拓扑结构都会保持完整，”福布斯说。“只有当纠缠消失时，拓扑结构才会消失。”
科学家们相信，他们的方法可以在制造可以克服任何环境中噪声的量子计算机和网络方面发挥关键作用。他们的下一步将是创建一个“拓扑工具包”，可以将实用信息编码到斯格明子中，并再次将其提取出来。
“一旦我们有了这个，我们就可以开始考虑在实际情况下使用拓扑，比如通信网络和计算，”福布斯说。
