隐藏的对称性可能是超强大量子计算机的关键

研究人员发现，隐藏的对称性可能是更强大的量子系统的关键。

研究人员找到了一种保护高度脆弱的量子系统免受噪声影响的方法，该方法可以帮助设计和开发新的量子设备，例如超强大的量子计算机。

来自剑桥大学的研究人员表明，即使微粒之间存在随机干扰，微观微粒也可以在很长的距离内保持内在联系或纠缠在一起。利用量子理论的数学原理，他们发现了一个简单的装置，即利用量子系统中以前未知的对称性，即使在存在噪声的情况下，也可以制备和稳定纠缠的粒子。

他们的研究结果发表在《物理评论快报》上，为神秘的量子世界打开了一个新窗口，该世界可以通过在嘈杂的环境中保留量子效应来革新未来的技术，这是开发此类技术的最大障碍。利用这种能力将成为超快量子计算机的核心。

“直到我们找到一种使量子系统更强大的方法，它们在现实世界中的应用将受到限制。”—肖万·杜塔（Shovan Dutta）

量子系统建立在原子级粒子的特殊行为之上，可以彻底改变执行复杂计算的方式。普通计算机位是可以设置为1或0的电气开关，而量子位或qubit可以同时设置为1、0或两者。此外，当两个量子位纠缠在一起时，对一个量子位的操作会立即影响另一个量子位，无论它们相距多远。这种双重状态赋予了量子计算机以强大的力量。用纠缠的量子位而不是普通位构建的计算机可以执行的计算远远超出甚至是最强大的超级计算机的能力。

该论文的第一作者，剑桥大学卡文迪许实验室的Shovan Dutta博士说：“但是，量子位是非常挑剔的东西，环境中最微小的噪音会导致它们的纠缠破裂。”“直到我们找到一种使量子系统更强大的方法，它们在现实世界中的应用将受到限制。”

几家公司（最著名的是IBM和Google）已经开发了工作的量子计算机，尽管到目前为止，这些计算机仅限于少于100量子比特。它们要求几乎完全与噪声隔离，即使如此，它们的使用寿命也很短，只有几微秒。两家公司均计划在未来几年内开发1000量子位量子计算机，尽管除非克服稳定性问题，否则量子计算机将无法实际使用。

现在，杜塔（Dutta）和他的合著者奈杰尔·库珀（Nigel Cooper）教授发现了一个健壮的量子系统，即使有很多噪声，多对量子位仍然纠缠在一起。

他们以晶格形式对原子系统进行了建模，其中原子相互之间强烈相互作用，从晶格的一个位置跳到另一个位置。作者发现，如果将噪声添加到晶格的中间，则不会影响左右两侧纠缠的粒子。这种令人惊讶的特征是由一种特殊的对称类型导致的，这种对称类型可以节省此类纠缠对的数量。

杜塔说：“我们根本不期望这种稳定的纠缠类型。”“我们偶然发现了这种隐藏的对称性，这在这些嘈杂的系统中非常罕见。”

他们证明了这种隐藏的对称性可以保护纠缠对，并允许将其数量从零控制到较大的最大值。类似的结论可以应用于广泛的物理系统，并且可以通过实验平台中已经存在的成分来实现，从而为在嘈杂环境中可控的纠缠铺平了道路。

杜塔说：“不受控制的环境干扰不利于纠缠等量子效应的生存，但人们可以通过有意地设计特定类型的干扰并观察粒子的反应来学到很多东西。”“我们已经证明，一种简单形式的干扰实际上可以产生并保持许多纠缠的对，这是对该领域实验发展的极大推动力。”

研究人员希望在明年内通过实验证实他们的理论发现。

参考：肖万·杜塔（Shovan Dutta）和奈杰尔·库珀（Nigel R. Cooper），“有损量子比特阵列中的长距离相干性和多个稳态”，2020年12月9日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.125.240404

该研究部分由工程和物理科学研究委员会（EPSRC）资助。