有用的量子网络会受到环境“噪声”的退相干问题的阻碍。但一项新的突破可能会改变这一点。

科学家们发现了一种突破性的方法来保护量子信息不受“噪音”的影响，这最终可以让我们建造实用的量子计算机。

量子计算机依赖于量子纠缠，即两个粒子的量子特性之间的联系，这两个粒子在瞬间跨越时间和空间共享。这使得量子计算机能够比传统计算机执行更快的计算，因为它们可以并行而不是按顺序处理信息。

但是，由于来自外部世界的“噪声”，保持这种“相干性”是困难的，因为与松散粒子、光线甚至微小的温度变化的相互作用都会打破纠缠并分散内部的信息。这就是为什么在经典计算中，量子比特的错误率比传统比特高得多。

“基本上，即使公司声称（他们有）1000个量子比特，但其中很少有有用的。噪音是原因，”该研究的合著者、南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学的物理学教授安德鲁·福布斯告诉我们。“每个人都同意，除非我们能减少量子比特的噪音，否则推动更多量子比特是没有意义的。”

现在，通过对两个纠缠光子的拓扑信息（或源于形状的属性）进行编码，一组物理学家已经找到了一种即使在噪音风暴中也能保存量子信息的方法。研究人员在3月26日的《自然通讯》杂志上发表了他们的研究结果。

就像传统的计算机比特是数字信息的基本单位一样，量子位对量子信息进行编码。像比特一样，量子位可以以1或0的形式存在，代表两态系统中的两种可能的位置。

由于量子世界的奇异规则，量子比特在理论上也可以存在于两种经典状态的无限叠加态中。当它们与量子计算机纠缠在一起时，它们处理数字的能力就会呈指数级增长。

但这条量子菊花链是脆弱的：即使被安置在极冷和高度绝缘的低温恒温器中，目前的量子计算机仍然会受到微小干扰的渗透，这些干扰会迅速破坏内部的微妙过程。

量子噪声消除

防止量子退相干的典型策略是保持纠缠，但迄今为止这只取得了相对的成功。为了寻找解决这个问题的方法，这项新研究的研究人员试图在已经部分去相干的系统中保存信息。

安德鲁·福布斯说：“我们决定让缠结衰减 —— 它总是很脆弱的，所以顺其自然吧 —— 即使缠结很少，我们也要保留信息。”

为了解决这个问题，福布斯和他的同事们转向了一种被称为“拓扑量子比特”的量子比特，它以两个纠缠粒子形成的形状编码信息。他们选定了一种被称为“光斯格明子”的准粒子，这是一种在两个纠缠光子之间形成的波状场。

在将斯格明子暴露在不同程度的噪音中后，研究人员发现，编码在其中的模式和信息保持弹性，远远超过了非拓扑系统的退相干点。

“事实证明，只要一些纠缠仍然存在，无论多么小，拓扑结构都保持完整，”福布斯说。“只有当纠缠消失时，拓扑才会消失。”

科学家们相信，他们的方法可以在制造量子计算机和网络方面发挥关键作用，这些量子计算机和网络可以在任何环境中克服噪音。他们的下一步将是创建一个“拓扑工具包”，可以将实用信息编码到斯格明子中，并再次将其提取出来。

“一旦我们有了这个，我们就可以开始考虑在实际情况下使用拓扑，比如通信网络和计算，”福布斯说。

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