科學家成功模擬「不可能任務」！量子電腦糾錯技術獲重大突破

量子電腦被譽為下世代運算革命，但長久以來有個致命弱點：難以在運算過程中修正錯誤。為了打造真正可靠的量子機器，科學家必須先在傳統電腦上模擬這些量子程式，而這堪稱當代最複雜的計算挑戰之一。

最新訊息令人振奮！瑞典查爾摩斯理工大學攜手米蘭、格拉納達及東京的研究團隊，首度開發出能模擬特定型別「錯誤修正量子計算」的開創性方法。這項突破將加速打造強大且穩定的量子科技。

量子電腦擁有驚人潛力，未來可能解決現今超級電腦束手無策的難題，徹底改變醫學、能源、加密技術、人工智慧及物流等領域。但量子系統有個致命傷：它們比傳統電腦更容易出錯，且修正錯誤的難度高出許多。現階段量子電腦仍缺乏「容錯能力」，這正是其實用化的最大障礙。

為確保量子計算正確無誤，研究人員通常會用傳統電腦模擬整個過程。這些模擬特別重要，能驗證那些設計來抵抗幹擾並修正錯誤的計算程式。但模擬如此先進的量子行為極其困難，某些案例甚至需要世界上最快的超級電腦花費比宇宙年齡更長的時間才能完成。

研究團隊的最新突破在於：他們首度找到方法，能精確模擬某種先前幾乎無法建模的錯誤修正量子計算。主導研究的查爾摩斯理工大學應用量子物理學博士卡麥隆・卡克盧斯強調：「我們發現了模擬特定量子計算的新途徑，這意味現在能模擬採用容錯糾錯碼的量子計算，對未來打造更強大穩定的量子電腦至關重要。」

量子電腦糾錯能力受限的根源在於其基礎單元「量子位元」（qubit）。量子位元雖具備驚人運算潛力，卻也極度敏感。量子電腦的運算威力來自「量子疊加」現象——量子位元能同時保持1和0的狀態，以及所有中間態的任意組合。每增加一個量子位元，運算能力就呈指數成長，但代價是其對環境幹擾極度敏感。

卡克盧斯解釋：「最微小的環境噪音——無論是震動、電磁輻射或溫度變化——都可能導致量子位元計算錯誤，甚至喪失量子態（相干性），進而失去繼續運算的能力。」

為解決此問題，科學家使用「糾錯碼」將資訊分散儲存在多個子系統中，既能偵測錯誤又能修正，同時保護量子資訊不受破壞。其中一種方法是將量子位元的資訊編碼到振動量子系統的多重（可能是無限）能階中，這稱為「玻色子編碼」。但由於涉及多重能階，模擬採用玻色子編碼的量子計算特別困難，直到現在才出現轉機。

研究團隊開發的新演算法，能模擬使用「Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）編碼」的量子計算。這種編碼被廣泛應用於主流量子電腦實作中，其儲存量子資訊的方式讓量子電腦更容易修正錯誤，從而降低對噪音和幹擾的敏感度。

共同作者、查爾摩斯理工大學應用量子物理學副教授茱莉亞・費里尼指出：「由於GKP編碼的深層量子力學特性，過去用傳統電腦模擬極為困難。但我們終於找到前所未有的有效方法。」

研究人員透過建立新的數學工具，成功將GKP編碼應用於演算法中。這項新方法讓科學家能更可靠地測試和驗證量子電腦的計算結果。費里尼強調：「這開創了全新的量子計算模擬途徑，讓我們能測試那些先前無法驗證、卻對建構穩定且可擴充套件量子電腦至關重要的技術。」

這項名為《古典模擬採用真實奇數維Gottesman-Kitaev-Preskill態的電路》的研究已發表於《物理評論快報》。研究團隊成員來自瑞典查爾摩斯理工大學、義大利米蘭大學、西班牙格拉納達大學及日本東京大學。