构建量子球形代码的框架

量子球形代码的二维投影，该代码由四维复数Witting多面体的两个副本（黑色和红色）组成。该代码可以校正任何频率的多达五个光子损失。图片来源：Jain等人

为了可靠地执行复杂的大规模计算，计算系统依赖于所谓的纠错方案，即旨在保护信息免受错误的技术。当涉及到量子计算机时，这些技术可能更为重要，量子计算机是利用量子力学原理执行计算的设备。

这是因为量子计算机极易出错，因为量子比特（即它们的信息单位）可能会因与环境的相互作用而失去其量子态。量子计算机的纠错方案应围绕量子力学过程进行定制，并考虑到量子计算系统的独特脆弱性。

迄今为止开发的大多数纠错码都是为了减轻基于量子比特的系统中的错误而设计的。尽管如此，构建量子球形代码的框架这些方案通常与在玻色子系统中存储信息的其他量子器件（例如光子谐振器）不兼容。

NIST/马里兰大学的研究人员最近引入了一种新的框架来构建量子代码，该代码也适用于玻色子量子系统。他们的框架在发表在《自然物理学》上的一篇论文中进行了概述，特别提出了在球体上定义的量子代码的构造。

“在研究生院，我是一个研究猫代码的研究团队的一员，这些代码用于使用光存储量子信息，”该论文的主要作者VictorV.Albert告诉Phys.org。“因此，这些代码是光子或更一般的玻色子代码的实例。该信息将存储在两个经典电磁信号的叠加中。这些信号将具有不同的振幅，但它们将具有相同的波长。

在开发了这些所谓的猫代码之后，阿尔伯特和他的一些同行开始探索推广它们的可能性，以便它们可以应用于不同波长的多个电磁信号。虽然他们能够开发一些特定于系统的代码，但Albert认为他们仍然没有得出一个可以跨不同系统通用的统一框架。

“从那时起，最简单的猫代码变得越来越突出，并与亚马逊AWS、耶鲁量子电路公司和法国的Alice&Bob所追求的计算方案相关，”阿尔伯特说。“作为我们新研究的一部分，我们着手开发一种方法来定义和研究cat代码对多个振幅和频率的电磁信号的扩展。

所有的量子代码都需要一些东西的叠加，阿尔伯特和他的同事们意识到，将分离良好的点叠加在一个球体上是有意义的。他们的框架建立在先前提出的方法之上，该方法将任何频率的电磁信号映射到球体上的点。

“信息论的创始人克劳德·香农（ClaudeShannon）有一种古老而非常通用的技术，可以将固定振幅但任何频率的任意电磁信号映射到球体上的一个点，”阿尔伯特解释说。“这意味着使用光有效地发送经典信息归结为在球体上包装尽可能多的点，同时确保噪声不会导致它们重叠。

研究人员从这个想法开始，并试图将其转化为量子计算。他们的努力最终导致了他们构建量子球形代码的新理论框架的发展。

“我们意识到，量子版本是考虑叠加人们先前确定有利于经典信息传输的点集。在低维中，这些集合包括著名的柏拉图固体的角落，“阿尔伯特解释道。“在更高的维度中，某些集合与奇异晶格和二进制代码有关。

在他们的论文中，Albert和他的同事们概述了不同的方法，在这些方法中，人们可以叠加这些集合中的点，以获得高性能的量子代码。虽然到目前为止他们的工作主要是理论上的，但它为创建由一组电磁信号的叠加组成的光子量子代码引入了一条新的潜在途径。

“由于工业界和学术界的实验小组继续追求这些最简单的实例，因此该框架可能会产生其他类似的相关代码，”阿尔伯特说。“然而，实际意义取决于量子器件控制的未来实验进展。无论如何，这个框架应该同时为理论家提供一个有趣的游乐场。

Albert及其同事最近的这项研究强调了保护玻色子量子系统免受噪声影响的潜在途径。在未来，它可以为更多的研究铺平道路，这些研究旨在开发经典球形代码的量子类似物并测试其性能。

“量子计算不是关于存储量子信息，而是关于操纵它，”阿尔伯特补充道。“定义了代码后，我们现在想对它们进行操作。我们还在研究我们的框架未描述的其他代码类别。在光子编码理论中，这是一个非常激动人心的时刻。

更多信息：ShubhamP.Jain等人，量子球形代码，NaturePhysics（2024）。DOI：10.1038/s41567-024-02496-y

期刊信息：NaturePhysics