這種極端的脆弱性可能會讓量子運算聽起來毫無希望。但在 1995 年,應用數學家 Peter Scholl 發現了一種儲存量子資訊的巧妙方法。他的編碼有兩個重要特徵。首先,它可以容忍僅影響單一量子位元的錯誤。其次,它具有內建程式來修正發生的錯誤,防止錯誤累積並擾亂計算。紹爾的發現是量子糾錯碼的第一個例子,它的兩個重要屬性是所有此類程式碼的特徵。
第一個特徵源自於一個簡單的原理。換句話說,秘密訊息在分割後變得更不易受到攻擊。間諜網採取類似的策略。每個間諜對整個網路幾乎一無所知,因此即使有人被捕,組織仍然安全。然而,量子糾錯碼將這種邏輯發揮到了極致。在量子間諜網路中,沒有一個間諜知道任何事情,但他們在一起可以知道很多。
每個量子糾錯碼都是一個特定的配方,用於將量子資訊分佈在集體疊加態的許多量子位元上。此步驟有效地將實體量子位元簇轉換為單一虛擬量子位元。在大量量子位元上多次重複此過程會產生大量可用於執行計算的虛擬量子位元。
組成每個虛擬量子位元的實體量子位元就像不知情的量子間諜。測量它們中的任何一個都無法告訴我們它所屬的虛擬量子位元的狀態,這種性質稱為局部不可區分性。每個物理量子位元不編碼任何訊息,因此單一量子位元中的錯誤不會破壞計算。重要資訊無所不在,但不在特定位置。
「你不能將其歸結為單一量子位,」庫比特說。
所有量子糾錯碼都可以吸收至少一個錯誤而不影響編碼訊息,但最終隨著錯誤的積累,所有錯誤都會消失。這就是量子糾錯碼發揮作用的地方:實際糾錯。這與局部的不可分辨性密切相關。由於單個量子位元中的錯誤不會破壞訊息,因此始終可以使用特定於每個代碼的既定程序來逆轉它們。
我被帶去兜風了。
李志是加拿大滑鐵盧周界理論物理研究所的博士後,熟悉量子糾錯理論。但當他與同事萊瑟姆·博伊爾交談時,這個話題就遠離了他。那是 2022 年秋天,兩位物理學家乘坐晚班車從滑鐵盧飛往多倫多。博伊爾先生是一位非週期性瓷磚專家,當時住在多倫多,現在在愛丁堡大學,他是經常堵車的班車上的熟悉面孔。
「在正常情況下,他們可能處於非常可怕的境地,」博伊爾說。 “這就像有史以來最好的事情。”
在那個決定性的夜晚之前,李和博伊爾都知道對方的研究,但他們的研究領域並不直接重疊,也從未進行過一對一的對話。但就像無數無關領域的研究人員一樣,李對非週期性平鋪感興趣。 「很難不感興趣,」他說。