量子運算重大突破！科學家找到克服「雜訊」幹擾的新方法

量子網路發展一直面臨「退相干」問題的困擾，環境中的「雜訊」嚴重影響量子計算的準確性。不過，最新研究可能將徹底改變這個局面。

科學家發現了一種革命性的方法，能夠有效保護量子資訊不受「雜訊」幹擾，這項突破將使實用量子電腦的夢想成真。量子電腦之所以能比傳統電腦進行更快速的運算，關鍵在於量子糾纏現象——兩個粒子即使相隔遙遠，其量子特性仍能即時相互影響。

然而，這種「相干性」極易受到外界「雜訊」的破壞。微小的溫度變化、遊離粒子甚至光線都可能打斷量子糾纏，導致資訊流失。這正是量子位元（qubit）的錯誤率遠高於傳統位元（bit）的主要原因。

研究共同作者、南非金山大學物理學教授安德魯·福布斯指出：「雖然有些公司宣稱已實現1000個量子位元，但真正可用的寥寥無幾，關鍵就在於雜訊問題。學界普遍認為，在解決雜訊問題前，單純增加量子位元數量是沒有意義的。」

研究團隊透過將資訊編碼在兩個糾纏光子的拓撲結構（即由形狀產生的特性）中，成功找到在強烈雜訊環境下儲存量子資訊的方法。這項研究成果已於3月26日發表在《自然通訊》期刊。

量子位元與傳統位元類似，都能表示為1或0兩種狀態。但量子位元的特殊之處在於可以同時處於這兩種狀態的疊加態，當它們在量子電腦中糾纏時，運算能力將呈指數級增長。

目前量子電腦即使置於極低溫的超絕緣環境中，仍難以完全避免微小幹擾。傳統解決方案著重於維持量子糾纏，但效果有限。這項新研究則另闢蹊徑，專注於在已部分退相干的系統中儲存資訊。

福布斯教授解釋：「我們決定讓糾纏自然衰減——反正它本來就很脆弱——轉而專注於在極少量糾纏的情況下仍能儲存資訊。」

研究團隊採用一種稱為「拓撲量子位元」的特殊量子位元，將資訊編碼在兩個糾纏粒子形成的形狀中。他們特別選用一種稱為「光學斯格明子」的準粒子，這是兩個糾纏光子之間形成的波狀場。

實驗顯示，即使在強烈雜訊環境下，斯格明子編碼的資訊模式仍能保持穩定，遠超過非拓撲系統的耐受極限。福布斯指出：「只要還存在些許糾纏，無論多麼微弱，拓撲結構就能保持完整。只有當糾纏完全消失時，拓撲結構才會瓦解。」

這項技術有望幫助開發出能在任何環境中抵抗雜訊的量子電腦和量子網路。研究團隊下一步將開發「拓撲工具組」，實現將實用資訊編碼進斯格明子並完整讀取的功能。

福布斯表示：「一旦完成這項工作，我們就能開始考慮在通訊網路和計算等實際應用中運用拓撲原理。」