噪声，量子计算的意想不到的盟友咖啡和定理| 科学

量子力学的思想出现一个多世纪后，继续产生令人惊讶的结果。 其中， 量子计算有望催生出最强大的计算机，占据了突出的地位。但要有效地利用这些设计，它们面临着一个严重的困难：它们的操作 对噪音极其敏感以至于无法执行复杂的计算。根据最近的研究结果，数学可以描述这种现象并改进现有的量子算法。

噪声的出现是由于系统与环境的相互作用，其中温度导致原子随机移动。 它的作用是 腐败 量子位的状态，量子计算机的基本信息处理单元。 这会引入在执行复杂算法时传播的错误，从而破坏了所有计算潜力 第一的 可以提供这种新的计算形式。

面对这个问题，最明显的选择是将工作温度降低到可能的极限，或者构建具有最高抗噪性的量子处理器。 然而，尽管在这两个方面做出了努力，但当前的技术似乎已经在这些方法中触底。 这就是数学，特别是复杂代数发挥至关重要作用的地方。 首先，它们使我们能够对量子计算机中发生的过程进行建模， 分析噪音。此外，这些研究的结论使我们能够设计出更为稳健的算法，从而 即使存在噪声，结果也可接受。

噪声建模为 量子信道什么 他们描述了信息在计算机上运行时如何在量子算法中传播。 这些渠道是 一组与系统的量子态相互作用并修改它们的数学运算。 比如说他 幅度通道 产生量子态能量的减少——类似于减慢任何运动的摩擦——而 相位通道 表示由一种状态组合转变为另一种状态组合而导致的信息丢失。 这个公式的结果是一组方程，描述了错误如何在量子系统中传播和累积。 它还使我们能够识别噪声源并设计量子算法。 纠错 实时。

纠错码的作用类似于西班牙国民身份证件末尾的字母，可以检测和纠正错误数字。在量子噪声的背景下，这些代码被描述为 酉泡利矩阵。 这些转换通过将信息的副本分布在多个量子位（通常称为代码块）上，为初始量子信息提供冗余的编码结构。 这些编码通过识别原始信息与代码块中存储的信息之间的差异来实现错误检测。 此外，一旦在量子态中检测到错误，就可以应用基于泡利算子的特定校正操作。 这些操作有助于扭转量子错误的影响并立即将量子位恢复到正确的状态。

除了尝试减轻或校正量子噪声之外，最近还提出了一些方法 利用噪音 有利的是，它们可以在嘈杂的环境中提供出色的结果。 具体的， 已经显示过 某些量子机器学习算法，例如所谓的 量子储库计算能够战略性地利用噪音。

该算法使用随机量子电路来揭示隐藏在输入数据集中的相关信息。 然后，该信息由负责生成准确预测的机器学习算法进行处理。 所讨论的量子电路通常由一系列随机互连的量子门和量子位组成，充当临时存储器。 这些电路利用量子力学的固有特性（例如叠加和纠缠）来同时探索多种潜在的量子变换。 此过程有助于有效提取相关信息，这对于算法的成功至关重要。

这种量子算法的优点在于它能够战略性地利用电路中的固有噪声。 在这种情况下，噪声给算法带来了更大的可变性，增强了其从输入数据中提取复杂信息的能力。 因此，生成的最终预测的质量和准确性显着提高。 这种方法开发于 各种工作已被证明在广泛的应用中有效，包括 分子计算预言 时间序列 y 新药设计。

莱亚·多明戈 是一名博士前研究员 数学科学研究所 (ICMAT)

弗洛伦蒂诺·博隆多 他是该学院的教授 马德里自治大学

加布里埃尔·卡洛斯 他是该领域的研究员 国家原子能委员会 在布宜诺斯艾利斯， 阿根廷

咖啡与定理 是一个专门讨论数学及其创建环境的部分，由数学科学研究所 (ICMAT) 协调，中心的研究人员和成员描述了该学科的最新进展，分享了数学与其他社会学科之间的交汇点。和文化表达，并记住那些标志着其发展并知道如何将咖啡转化为定理的人。 这个名字让人想起匈牙利数学家 Alfred Rényi 的定义：“数学家是将咖啡转化为定理的机器。”

编辑及协调： 玛瑙舵加西亚-朗格利亚。 埃斯 协调员 数学科学研究所数学文化股 (ICMAT)

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