研究人员找到了一种方法来保护量子信息免受“噪声”的影响

在《自然通讯》上发表的一项研究中，科学家们展示了某些量子态如何能够在受到环境噪声干扰时，仍然保持其关键的信息。

为什么这项研究重要

• 更可靠的量子技术 — 这一突破可能导致更稳定的量子计算机和网络，使未来技术变得更快、更安全、更广泛可及。
• 更好的医学影像与人工智能 — 保留量子信息的能力可以增强医学影像技术，改善基于人工智能的诊断，带来更好的医疗解决方案。
• 更强的数据安全性 — 保护免受噪声影响的量子网络可以提供超安全的通信，保护个人和金融数据免受网络威胁。

“我们发现拓扑在噪声存在时是信息编码的强大资源，”威特沃特大学物理学院的安德鲁·福布斯教授表示。

量子纠缠是粒子之间的看不见的连接，允许粒子之间即时通信，无论它们相距多远。这个原则是流行科学的主题，也是现代量子技术的基石。然而，它曾被爱因斯坦拒绝，称为“距离上的鬼魅行为。”

不幸的是，量子纠缠态是非常脆弱的，当它们经历扰动时会衰减，例如背景光和杂散光、嘈杂的探测器、丢失的光子以及其他“白噪声”的来源，这些都是在现实世界的量子系统中常见的效应，这些效应可能打断粒子之间的连接，使它们的纠缠联系失去作用。

为了克服这一点，许多策略被提出尝试保持纠缠，但迄今为止成功有限。威特沃特大学的团队展示了这种方法可以被操控，使纠缠保持脆弱，从而保持量子信息。

“我们在仔细设计量子波函数——一种捕捉量子系统所有可能状态的数学描述——以保持即使在基本量子连接开始崩溃时仍然稳定的量子信息，”福布斯说。

研究人员发现，通过工程设计具有特定拓扑特性的量子态，即使粒子之间的纠缠开始崩溃，也可以保留量子信息。

“我们发现拓扑在噪声存在时是信息编码的强大资源。它具有一个大型编码字母表，只要某些纠缠持续存在，它就完全免疫于噪声。”

罗伯特·德梅洛·科赫教授解释说，这种量子波形拓扑的操控可以看作是“量子信息的数字化”，这是由拓扑可观测量的离散性质所实现的，这些可观测量只能取整数值，如-2，-1，1和2。

“离散信号总是对噪声的影响更具鲁棒性。这是因为对于离散信号，噪声必须能够在两个离散状态之间翻转信号，才能注册任何效果。”

团队认为，就像数字技术使经典计算和通信成功一样，数字量子信号也将使在现实条件下成功的量子计算和通信成为可能，而不需要补偿策略。

“这一突破可以用于克服量子计算机以及全球量子网络中的噪声，为下一代量子技术铺平道路。它在创建先进的医学影像技术和更强大的人工智能系统上，利用纠缠将特别有价值，”福布斯说。