隨機化在噪聲環境中維持量子相干性的新研究成果

量子系統對其周圍環境極為敏感。即使是微小的電磁波動或熱振動，都可能導致使量子計算成為可能的微妙疊加狀態崩潰。一項新的研究方向顯示，令人驚訝的是，在特定噪聲條件下，將受控隨機性引入量子閘操作，實際上可能保護相干性，而不是削弱它。

隨機編譯技術能提高量子計算的穩健性

噪聲問題，即去相干性，仍然是可擴展量子計算中的主要工程障礙。量子位元（qubits）通過音子耦合、電荷噪聲和磁通波動等機制與其物理環境互動，這些互動會引入錯誤，並在計算過程中累積。傳統的錯誤修正方法，例如表面代碼，通過在多個物理量子位元中冗餘編碼邏輯量子位元來解決這個問題，這是一種資源密集型策略，目前的硬件只能部分支持。因此，研究人員一直在檢查某些操作策略，這些策略在電路層面而非硬件層面應用，能否在全面的錯誤修正可用之前，使量子位元更加穩健。

其中一種方法涉及隨機編譯，這是一種將量子閘故意與隨機保利操作交錯的技術，這樣平均來看，可以將相干錯誤轉化為非相干錯誤。非相干錯誤是隨機的，通常不會構成建設性的幹擾，這使得它們更容易被表徵和抑制。

隨機化技術在量子計算中的應用與挑戰

隨機化如何重塑錯誤結構的理論基礎源於旋轉的概念，即在噪聲通道上應用隨機單位算子，以對其作用進行對稱化。當閘錯誤具有相干成分時，這些成分可以在重複操作中以相位方式累積，從而在輸出分佈中產生系統性偏差。旋轉打破了錯誤本身的相位相干性，有效地將結構化錯誤通道轉化為去極化通道，這在分析上可處理，且在實踐中損害較小。

實際的意義在於，即使在噪聲環境中，使用隨機閘編譯的電路也能產生超過確定性編譯的等效電路的輸出保真度，只要基礎噪聲主要是閘相關的，而非始終存在的。這一條件，即噪聲主要是相干的且與閘相關，對於超導量子位元平台來説相當成立，其中二量子位元閘錯誤通常是限制保真度的主要因素。

關於超導架構如何處理閘級錯誤機制的更廣泛觀察，近期設備的量子錯誤修正策略為隨機編譯在更廣泛的錯誤緩解背景下的適用性提供了相關背景。

隨機化的侷限性在於，該技術並非普遍適用。在噪聲主要由低頻漂移主導的情況下，即在固態系統中常見的 1/f 噪聲，隨機編譯的收益有限，因為錯誤過程並非與閘相關，無法以相同方式進行對稱化。同樣，當量子位元完全過渡到計算子空間之外的漏斗錯誤，則保利旋轉無法處理，需採取單獨的緩解策略。

此外，還需考慮編譯的開銷。插入隨機保利閘會增加電路的深度，而在當前具有有限相干時間的硬件上，這一額外的深度可能會抵消該方法所預期的部分保真度增益。因此，淨收益取決於給定設備中相干錯誤與非相干錯誤的比率，這一參數在不同平台之間乃至單個晶片中的量子位元實例之間變化顯著。

對於在噪聲中間規模量子（NISQ）設備上運行的變分算法和量子模擬任務，隨機編譯提供了一條實用的途徑，以在不需量子位元開銷的情況下更可靠地估計期望值。該方法與現有硬件兼容，只需進行經典預處理以生成隨機閘序列，對於當前系統的研究人員來説具有可及性。更廣泛的研究方向指向一類噪聲感知的編譯策略，將經典控制層視為錯誤管理中的主動參與者，而不僅僅是被動的指令管道。

這是否足以實現容錯操作仍是一個懸而未決的問題，但作為一種近期工具，它在現實噪聲條件下代表了電路級保真度的可量測改善。

這項研究首次發表於《物理評論快報》期刊。