科学家们发现了一种隐藏的量子态
康奈尔大学的研究人员在量子计算中发现了一种"量子自旋玻璃"态，为纠错提供了见解，并揭示了量子算法中的隐藏指令，有可能带来新的量子态分类和量子计算的进步。
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 Erich Mueller 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 Vaibhav Sharma。
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 Vaibhav Sharma、Chao-Ming Jian 和 Erich J. 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