噪声变优势：科学家找到了利用量子计算机构建独特“指纹”的新方法

资料图（来自：IBM Q System）

通常情况下，科学家会尝试测量噪声并予以校正，但实际效果只能说好坏参半。然而芝加哥大学和普渡大学的科学家们，却开发出了一项新技术。

据悉，他们没有直接尝试测量噪声，而是在量子计算机上构建了一个独特的噪声“指纹”，然后通过在计算机上运行的一款程序来呈现。

研究配图 - 1：单量子比特 / 模拟时间演化的频率扫描图

研究团队称，新方法为其指明了减轻噪声问题新方向，同时让用户能够将噪声转换为一种独特的优势。

论文合著者、来自詹姆斯·弗兰克研究所和芝加哥量子交易所的化学系教授 David Mazziotti 说到：“我们想要知道是否有办法处理噪声，而不是遏制它”。

研究配图 - 2：不同频率的变化率 / 响度与模拟时间的变化

SCI Tech Daily 指出：量子计算机基于粒子在原子层面遵循的一套非常奇怪的行为规律 —— 它们能够同时处于两种不同的状态，或在空间中呈“纠缠”态。

科学家们希望在量子计算机上利用这些能力，以更好地理解自然世界的规则。因为根据量子力学的定律，理论上我们有望借助量子计算机，更轻松地开展相关模拟。

研究配图 - 3：不同设备 / 量子比特模拟时间的演化演示

过去十年，量子计算机技术已取得相对不错的早期进展，但遗憾的是，其算力仍远远落后于科学家们的预期。

即使想要暴力堆砌更多的“量子比特”，也得面临噪声可能导致的不准确性问题 —— 意味着我们难以开展较大的运算任务。

研究配图 - 4：一定频率范围内 / 相对于模拟时间的单量子比特状态轨迹

研究合著者、普渡大学物理与化学教授 Saber Kais 表示，现在是时候采取新的方法了。此前科学家们试图通过直接测量每个量子比特中的噪声来了解其影响，但对这些离散的变化进行分类是异常困难的。

此外研究小组认为，这可能并非始终最有效的途径。研究合著者、普渡大学博士后研究员 Zixuan Hu 补充道：“在物理学中，理解系统的整体行为，实际上比了解各个部分在做什么更容易”。

研究配图 - 5：双量子比特 - 本地系统的模拟时间演化 / 状态转换

举个例子，我们很难模拟一杯水中的每个分子在做什么，但预测其整体行为则要容易得多。为此，科学家们没有尝试精确测量实际噪声、而是试图了解量子计算机所经历的整体噪声。

他们选择了一种显示量子分子行为的特定计算，并将其在量子计算机上模拟运行。然后从几个不同的方向调节问题的设置，并跟踪噪声是如何给出响应的。

研究配图 - 6：在相关双量子比特系统上的模拟时间演化演示

Mazziotti 表示：“通过将所有因素结合到一起，我们得以构建正在运行的模拟所感知的噪声的独特‘指纹’”。此外 Hu 解释称，只需对一个众所周知的分子进行计算，即有助于梳理出噪声的具体影响。

Hu 说：“我们对量子计算机和噪声知之甚少，但非常清楚这种分子在活跃时的行为。因此我们选用了不太了解的量子计算机来模拟我们熟悉的分子，并观察其行为方式。通过熟悉这些模式，便可得出一些结论”。

（来自：Nature Communications）

研究一作、来自芝加哥大学的 Scott Smart 博士表示，这种操作更似“鸟瞰”量子计算机模拟的噪声，且他们希望这些信息能够帮助研究人员思考如何设计新的方法来控制噪声、甚至提出独特的噪声利用方法。

举个例子，如果尝试模拟现实世界中的分子等量子系统，你将知晓它会遇到噪声 —— 因为现实世界中就存在着噪声。而在以往的方法中，研究人员通常只靠硬堆算力来加入相关噪声的模拟。