研究人员发现利用量子光探测量子声音的开创性方法

研究人员发现利用量子光探测量子声音的开创性方法最近发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）杂志上的一项研究揭示了分子振动与光粒子（即光子）之间的量子力学相互作用。希望这一发现能帮助科学家更好地理解光与物质在分子尺度上的相互作用。量子效应在从新量子技术到生物系统等各种应用中的重要性的基本问题铺平了道路。UEA物理学院的马格努斯-博格（MagnusBorgh）博士说："化学物理学界对光粒子的能量在分子内传递过程的性质长期存在争议。从根本上说，它们是量子力学还是经典力学？分子是复杂而混乱的系统，不断振动。这些振动如何影响分子中的任何量子力学过程？""对这些过程的研究通常使用依赖偏振的技术--这与太阳镜中用于减少反射的光的特性相同。但这是一种经典现象。量子光学是研究光的量子性质及其与原子尺度物质相互作用的物理学领域，它的技术可以提供一种直接研究分子系统中真正量子效应的方法。"光子相关性在量子行为中的意义通过研究置于激光场中的分子发出的光的相关性，可以揭示量子行为。相关性回答了两个光子发射距离很近的可能性有多大的问题，并可使用标准技术进行测量。UEA理论化学博士生本-汉弗莱斯（BenHumphries）说："我们的研究表明，当分子与周围环境交换声子（量子力学的声音粒子）时，会在光子相关性中产生可识别的信号。"虽然光子在世界各地的实验室中都能被常规地产生和测量，但单个的量子振动，也就是相应的声音粒子--声子，一般无法进行类似的测量。新发现为研究分子中的量子声音世界提供了一个工具箱。首席研究员、UEA化学学院的加思-琼斯（GarthJones）博士说："我们还计算了光子和声子之间的相关性。他补充说："如果我们的论文能够启发人们开发新的实验技术，直接探测单个声子，那将是非常令人兴奋的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392893.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392893.htm

康奈尔大学的科学家们发现了一种隐藏的量子态

康奈尔大学的科学家们发现了一种隐藏的量子态在微观层面上，窗玻璃呈现出一种奇妙的混合特性。它的原子像液体一样无序，但又具有固体的刚性；当一个原子受力时，会影响到其他所有原子。物理学家用这种比喻来描述一种被称为"量子自旋玻璃"的量子态，量子计算机中的量子力学比特（量子比特）既表现出无序性（具有看似随机的值），又表现出刚性（当一个量子比特翻转时，其他所有量子比特也会翻转）。康奈尔大学的一组研究人员在开展一个研究项目时意外地发现了这种量子态的存在，该项目旨在进一步了解量子算法以及相关的量子计算纠错新策略。"测量量子粒子的位置会改变其动量，反之亦然。同样，对于量子比特来说，有些量在测量时会相互改变。我们发现，这些不相容测量的某些随机序列会导致量子自旋玻璃的形成，"康奈尔大学文理学院（A&S）物理学教授ErichMueller说。"我们工作的一个意义是，某些类型的信息在量子算法中会自动受到保护，而这些算法与我们的模型具有相同的特征。"这项研究最近发表在《物理评论B》上。第一作者是物理学博士生VaibhavSharma。物理学助理教授简超明与穆勒是共同作者。三人都在康奈尔大学原子和固体物理实验室（LASSP）从事研究工作。这项研究得到了文理学院新前沿基金的资助。夏尔马说："我们正试图理解量子算法的通用特征--超越任何特定算法的特征。我们揭示这些普遍特征的策略是研究随机算法。我们发现，某些算法类别会导致隐藏的'自旋玻璃'秩序。我们现在正在寻找其他形式的隐藏秩序，并认为这将为我们带来量子态的新分类法。"随机算法是指将一定程度的随机性作为算法一部分的算法--例如，用随机数来决定下一步该做什么。量子纠错的进步穆勒的2021年新前沿资助提案"自主量子子系统纠错"旨在简化量子计算机体系结构，方法是开发一种新策略来纠正由环境噪声（即宇宙射线或磁场等任何会干扰量子计算机量子比特、破坏信息的因素）引起的量子处理器错误。穆勒说，经典计算机系统的比特受到纠错码的保护；信息被复制，因此如果某个比特"翻转"，你可以检测到它并修复错误。"要想让量子计算在现在和未来都行得通，我们需要想出以同样方式保护量子比特的方法。纠错的关键在于冗余。如果我发送一个比特的三个副本，你可以通过比特之间的比较来判断是否有错误。我们借用密码学的语言来谈论这种策略，并把重复的比特集合称为'密码'。"穆勒和他的团队在发现自旋玻璃顺序时，正在研究一种通用方法，即使用多个编码词来表示相同的信息。例如，在一个子系统代码中，位"1"可能有4种不同的存储方式：111、100、101和001。量子子系统代码中的额外自由度简化了检测和纠正错误的过程。研究人员强调，他们在开始这项研究时，并不是简单地试图生成一种更好的错误保护方案。相反，他们是在研究随机算法，以了解所有此类算法的一般特性。穆勒说："有趣的是，我们发现了非同寻常的结构。最引人注目的是这种自旋玻璃阶的存在，这表明有一些额外的隐藏信息漂浮在周围，这些信息应该可以以某种方式用于计算，尽管我们还不知道如何使用。"参考文献VaibhavSharma、Chao-MingJian和ErichJ.Mueller，2023年7月31日，《物理评论B》，"二维贝肯-肖电路中的子系统对称性、自旋玻璃阶和随机测量的临界性"。DOI:10.1103/PhysRevB.108.024205编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403391.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403391.htm

微软和Quantinuum宣布在量子纠错方面取得重大突破

微软和Quantinuum宣布在量子纠错方面取得重大突破这两家公司表示，现在量子计算的最先进技术已经走出了通常被称为"嘈杂中间规模量子（NISQ）计算机"的时代。之所以说"嘈杂"，是因为即使是环境中最微小的变化，也会导致量子系统从本质上变得随机（或"解旋"）；之所以说"中间规模"，是因为目前的量子计算机最多仍局限于一千多个量子比特。量子比特是量子系统计算的基本单位，类似于传统计算机中的比特，但每个量子比特可以同时处于多种状态，并且在测量之前不会落入特定位置，这就是量子在计算能力方面实现巨大飞跃的潜力所在。如果来不及运行一个基本算法，系统就会变得过于嘈杂，无法得到有用的结果，或者根本得不到任何结果，那么你有多少个比特也就不重要了。结合几种不同的技术，该团队能够在几乎没有错误的情况下运行数千次实验。这需要做大量的准备工作，并预先选择那些看起来已经具备成功运行条件的系统，但与不久前的情况相比，这仍然是一个巨大的进步。这是量子计算朝着正确方向迈出的一步。还有很多问题有待解决（当然，这些结果也需要复制），但从理论上讲，一台拥有100个这样的逻辑量子比特的计算机已经可以用于解决一些问题，而一台拥有1000个量子比特的机器，正如微软所说，可以"释放商业优势"。纠缠的量子比特之间的差异（误差）。通过比较一对量子比特中每个量子比特的图像可以发现差异，存在的任何差异都会以点的形式出现在每对量子比特的中心图像上。研究小组使用Quantinuum的H2赛道陷波离子量子处理器，将30个物理量子比特组合成四个高度可靠的逻辑量子比特。将多个物理量子位编码成一个逻辑量子位有助于保护系统不出错。物理量子位纠缠在一起，这样就有可能检测到物理量子位中的错误并加以修复。长期以来，纠错一直困扰着业界：当然，物理比特的噪声越小、质量越高越好，但如果没有先进的纠错技术，NISQ时代就无从谈起，因为这些系统迟早都会解体。"仅仅增加具有高错误率的物理量子比特的数量而不提高错误率是徒劳的，因为这样做将导致大型量子计算机的功能并不比以前更强大，"AzureQuantum总经理丹尼斯-汤姆（DennisTom）和微软高级量子开发副总裁克里斯塔-斯沃尔（KrystaSvore）在今天的公告中写道。"与此相反，当具有足够运行质量的物理量子比特与专门的协调和诊断系统配合使用以启用虚拟量子比特时，只有这样，物理量子比特数量的增加才会带来强大、容错的量子计算机，从而能够执行更长时间、更复杂的计算。"几年前，逻辑量子比特的性能才开始超过物理量子比特。现在，微软和Quantinuum认为，他们的新硬件/软件系统展示了物理和逻辑错误率之间的最大差距，比只使用物理比特的系统提高了800倍。研究人员指出，要超越NISQ，逻辑量子比特和物理量子比特的错误率之间必须有很大的差距，还必须能够纠正单个电路错误，并在至少两个逻辑量子比特之间产生纠缠。如果这些结果成立，那么该团队就实现了这三点，我们也就进入了弹性量子计算时代。事实证明，这里最重要的成果可能是该团队执行"主动综合征提取"的能力，即在不破坏逻辑量子比特的情况下诊断错误并纠正错误的能力。汤姆和斯沃尔解释说："这一成就标志着我们在不破坏逻辑量子比特的情况下纠正错误迈出了第一步，是量子纠错领域的一个基本里程碑。我们的量子比特虚拟化系统展示了可靠量子计算的这一关键组成部分，在多轮综合征提取中实现了较低的逻辑错误率"。现在就看量子界的其他成员能否复制这些成果，并实现类似的纠错系统了，这可能只是时间问题。Quantinuum创始人兼首席产品官伊利亚斯-汗（IlyasKhan）表示："今天的成果标志着一项历史性的成就，是双方合作不断推动量子生态系统发展的绝佳体现。微软最先进的纠错技术与世界上最强大的量子计算机和完全集成的方法相得益彰，我们对量子应用的下一步发展感到非常兴奋，迫不及待地想看到我们的客户和合作伙伴将如何从我们的解决方案中获益，尤其是在我们向量子处理器规模化发展的过程中。"欲了解更多详情，请点击此处查看技术文档。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1426098.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1426098.htm

谷歌宣布在量子计算机纠错技术取得重要突破 但仍持“谨慎”态度

谷歌宣布在量子计算机纠错技术取得重要突破但仍持“谨慎”态度由于量子比特只能保持量子态极短的时间，因此目前的量子计算机很难产生有用的结果。这意味着，在量子计算机完成计算之前，量子系统中编码的信息就会丢失。因此，找到一种方式纠正随之而来的错误是量子计算技术面临的最大挑战。一些量子计算创业公司认为，短期内解决这个问题的办法是探索新方式，对目前的“噪声机器”进行编程，但这种做法意味着，量子计算机相比于传统计算机的性能提升有限。此外到目前为止，这方面的努力尚未取得实际效果。这也使得越来越多的人认为，在纠错问题得到更全面的解决之前，量子计算不具有实用性。谷歌的研究人员表示，已经找到一种方法，将量子计算机中正在处理的信息分散到多个量子比特上。这意味着，即便单个量子比特脱离了量子态，但作为一个整体的系统可以保存足够多的信息足够长时间，来完成一项计算。根据发表在《自然》杂志上的文章，随着谷歌扩大技术的应用规模，使其在更大的量子系统上运行，错误率仅降低了4%。但研究人员指出，这是人类首次实现，扩大量子计算机的规模没有导致错误率上升。奈文表示，这表明谷歌已经突破了“平衡点”。在此之后，进一步的发展将实现稳定的性能提升，最终带来第一台可以实际使用的量子计算机。谷歌研究员朱利安·凯利（JulianKelly）说，此次的突破来自于谷歌对量子计算机所有组件的优化，涉及量子比特的质量控制、控制软件，以及用于将计算机冷却至接近绝对零度的低温设备。这些优化将错误的数量减少到了足够低，使得扩大系统规模不会导致错误率呈现指数级上升。谷歌将这一突破描述为建造实用量子计算机所需完成的6个步骤中的第二步。下一步包括完善量子计算机的工程设计，以便只需要1000个量子比特就可以实现所谓的“逻辑量子比特”。逻辑量子比特建立在物理量子比特之上，可以实现无差错的运行。奈文表示，谷歌相信，只要能找到如何构建1000个逻辑量子比特并将其连接至单个系统的方法，就可以获得一台可实用的量子计算机。谷歌关于量子计算的研究以往曾引发争议。2019年，谷歌发表在《自然》杂志的一篇文章称，已经实现了“量子霸权”，即让量子计算机完成传统计算机无法完成的计算。然而，这一说法遭到了IBM和其他公司的挑战。随着新编程技术的发展，传统计算机性能的提升，量子计算实现“量子霸权”的时间也在被推迟。在本周发表的文章中，谷歌的研究人员表示，对这一最新突破持“谨慎”态度。他们表示，在纠错技术未来应用至更大规模的量子系统时，仍有一定的可能无法发挥作用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345915.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345915.htm

内置纠错功能的物理量子比特问世

内置纠错功能的物理量子比特问世#科技新突破#日本东京大学、德国约翰内斯・古腾堡大学和捷克帕拉茨基大学研究人员组成的团队，最近展示了一种构建光子量子计算机的新方法。该团队没有使用单个光子，而是采用了激光产生的光脉冲，这一光脉冲可由多个光子组成。相关研究成果发表在新一期《科学》杂志上。研究团队此次将激光脉冲转换为量子光学状态，从而提供了纠正错误的固有能力。虽然该系统仅由激光脉冲组成，但原则上它可立即消除错误。

量子飞跃：IBM的纠错策略助其超越经典超级计算机

量子飞跃：IBM的纠错策略助其超越经典超级计算机冷却IBMEagle的低温恒温器的内部视图，包含127个量子比特，可以作为科学工具来探索经典方法可能无法解决的新规模问题。资料来源：IBMResearch不过，最近的一项研究表明，即使没有强大的纠错能力，也有办法减少误差，使量子计算机在当今世界发挥重要作用。纽约IBM量子公司的研究人员与加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的合作者在《自然》杂志上报告说，他们将一台127量子比特的量子计算机与一台最先进的超级计算机进行了比较。至少在一项特定的计算中，量子计算机的性能超过了超级计算机。研究人员之所以选择这项计算，并不是因为它对经典计算机特别具有挑战性，而是因为它类似于物理学家经常进行的计算。重要的是，计算的复杂程度可以提高，以测试目前噪声大、易出错的量子计算机能否为特定类型的普通计算提供精确结果。量子计算机在计算变得越来越复杂的过程中产生了可验证的正确解，而超级计算机算法却产生了错误答案，这一事实给人们带来了希望，即采用减少错误的量子计算算法，而不是更困难的纠错算法，可以解决尖端物理问题，如了解超导体和新型电子材料的量子特性。加州大学伯克利分校研究生、该研究合著者萨简特-阿南德（SajantAnand）说："我们正在进入这样一个阶段：量子计算机可能能够完成目前经典计算机算法无法完成的事情。"IBM量子公司量子理论与能力高级经理萨拉-谢尔顿（SarahSheldon）补充说："我们可以开始将量子计算机视为研究问题的工具，否则我们就无法研究这些问题。"反过来说，量子计算机对经典计算机的胜利可能会激发新的想法，以增强目前经典计算机上使用的量子算法，加州大学伯克利分校物理学副教授、托马斯和艾莉森-施耐德物理学讲座教授迈克尔-扎莱特尔（MichaelZaletel）说："在研究过程中，我非常确信经典方法会比量子方法做得更好。因此，当IBM的零噪声外推版本比经典方法做得更好时，我百感交集。但是，思考量子系统是如何工作的，实际上可能会帮助我们找出处理问题的正确经典方法。虽然量子计算机做到了标准经典算法所做不到的事情，但我们认为这对改进经典算法是一个启发，以便将来经典计算机能像量子计算机一样运行良好。"增强噪声以抑制噪声IBM量子计算机看似优势的关键之一是量子错误缓解，这是一种处理量子计算噪音的新技术。自相矛盾的是，IBM的研究人员可控地增加量子电路中的噪声，从而得到噪声更大、更不准确的答案，然后向后推断计算机在没有噪声的情况下会得到的答案。这依赖于对影响量子电路的噪声的充分了解，以及对噪声如何影响输出的预测。之所以会出现噪声问题，是因为IBM的量子比特是敏感的超导电路，代表二进制计算中的0和1。当量子比特纠缠在一起进行计算时，热量和振动等不可避免的干扰会改变纠缠，从而带来误差。纠缠程度越高，噪声的影响就越大。此外，作用于一组量子比特的计算会在其他未参与计算的量子比特中引入随机误差。额外的计算会加剧这些错误。科学家们希望利用额外的量子比特来监测这些错误，以便对其进行纠正，这就是所谓的容错纠错。但是，实现可扩展的容错是一项巨大的工程挑战，对于数量越来越多的量子比特来说，容错是否可行还有待验证，Zaletel说。取而代之的是，IBM工程师提出了一种被称为零噪声外推法（ZNE）的误差缓解策略，即利用概率方法可控地增加量子设备上的噪声。根据一名前实习生的建议，IBM研究人员找到了阿南德、博士后研究员吴艳涛和Zaletel，请他们帮助评估使用这种误差缓解策略所获得结果的准确性。Zaletel开发了超级计算机算法来解决涉及量子系统的困难计算，例如新材料中的电子相互作用。这些算法采用张量网络模拟，可直接用于模拟量子计算机中相互作用的量子比特。Cori于2017年推出，是CrayXC40系列中的一个型号，拥有约30petaflops的惊人峰值性能，稳居当时全球超级计算机的第五位。它配备了2388个英特尔至强"Haswell"处理器节点、9,688个英特尔至强Phi"Knight'sLanding"节点和1.8PB的CrayDataWarpBurstBuffer固态设备，它的名字是为了纪念著名的生物化学家GertyCori。值得一提的是，GertyCori是第一位获得诺贝尔科学奖的美国女性，也是诺贝尔生理学或医学奖的首位女性获得者。Cori超级计算机于2023年5月31日退役。资料来源：伯克利实验室量子与经典：实验在几周的时间里，IBMQuantum的YoungseokKim和AndrewEddins在先进的IBMQuantumEagle处理器上运行了越来越复杂的量子计算，然后Anand在伯克利实验室的Cori超级计算机和Lawrencium集群以及普渡大学的Anvil超级计算机上使用最先进的经典方法尝试了同样的计算。当量子鹰于2021年推出时，它拥有所有量子计算机中数量最多的高质量量子比特，似乎超出了经典计算机的模拟能力。事实上，在经典计算机上精确模拟所有127个纠缠的量子比特需要天文数字的内存。量子态需要用127个独立数字的2的幂来表示。也就是1后面跟38个零；一般计算机可以存储约1000亿个数字，少了27个数量级。为了简化问题，阿南德、吴和扎莱特尔使用了近似技术，使他们能够在经典计算机上以合理的时间和成本解决这个问题。这些方法有点像jpeg图像压缩，即在可用内存的限制下，去掉不那么重要的信息，只保留获得准确答案所需的信息。Anvil超级计算机是一台功能强大的超级计算机，可提供先进的计算能力，支持各种计算和数据密集型研究。资料来源：普渡大学阿南德证实了量子计算机在不太复杂的计算中结果的准确性，但随着计算深度的增加，量子计算机的结果与经典计算机的结果出现了偏差。对于某些特定参数，阿南德能够简化问题并计算出精确解，从而验证量子计算结果优于经典计算机计算结果。在所考虑的最大深度上，虽然没有精确的解，但量子和经典结果却不一致。研究人员提醒说，虽然他们无法证明量子计算机对最难计算的最终答案是正确的，但"老鹰"在前几次运行中取得的成功让他们确信这些答案是正确的。"量子计算机的成功并非偶然。它实际上适用于整个电路家族，"扎莱特尔说。友好竞争与未来展望虽然扎莱特尔对预测这种减少错误的技术是否适用于更多的量子比特或更深入的计算持谨慎态度，但他说，这些结果还是鼓舞人心的。他说："这激发了一种友好竞争的感觉，我认为我们应该能够在经典计算机上模拟他们正在做的事情。但我们需要用一种更聪明、更好的方式来思考这个问题--量子设备正处于一个表明我们需要不同方法的阶段。"一种方法是模拟IBM开发的ZNE技术。阿南德说："现在，我们要问的是，我们能否将同样的误差缓解概念应用到经典张量网络模拟中，看看能否获得更好的经典结果。这项工作让我们有能力使用量子计算机作为经典计算机的验证工具，这颠覆了通常的做法。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377527.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377527.htm