纠错与噪声

退相干

一个能工作的量子比特,把信息存放在一种微妙的平衡里:不只是它偏向 0 还是 1,更在于这两部分之间精确的相位关系,写作 |psi> = alpha|0> + beta|1>。退相干,就是这种平衡向周围世界泄漏出去时发生的事。附近任何一次杂散的振动、一个光子、一丝磁场抖动,或一颗温热的原子,都可能“偷看”这个量子比特;一旦环境带走了哪怕一点点关于它处于什么状态的线索,那份精心维持的相位关系就被破坏了。可以把它想成一句轻声的耳语:只有在房间还安静时才能保持清晰,等到吵闹得足以把它淹没,它就听不清了。

具体来说,退相干会榨干量子计算真正赖以运行的两样东西。它摧毁让叠加态发生干涉的相位信息(正是这种干涉,才能在测量时让正确答案凸显出来);它也破坏纠缠,把一个真正共享的量子态,拆成各自为政、表现得像普通经典随机比特的若干量子比特。它并不等同于你主动去做的一次测量,但结果很相似:量子特性悄无声息地流走了。这正是为什么退相干是这个领域工程上的头号大敌。真实的量子比特必须被严密隔离(低温、屏蔽、静止),而我们用 T1、T2 这样的时间尺度来描述它们衰减得有多快。

|psi> = alpha|0> + beta|1>

alpha 与 beta 之间那个脆弱的相位,正是退相干所侵蚀的东西;一旦它消失,量子比特的表现就和一枚普通硬币无异。

正是退相干,让今天的 NISQ 机器只能停留在规模小、噪声大的阶段;也正因如此,要让容错量子计算机变得实用,就必须先做到大规模的量子纠错。