In 1994, a mathematician at AT&T Research named Peter Shor brought instant fame to “quantum computers” when he discovered that these hypothetical devices could quickly factor large numbers — 和 thus break much of modern cryptography. But a fundamental problem stood in the way of actually building quantum computers: the innate frailty of their physical components.

在普通计算机信息与二进制比特,量子粒子“量子比特”由该概率有一些在每两个状态,指定被|0⟩和|1⟩,在同一时间。当量子比特相互作用,成为他们可能的状态相互依赖的,每个人的机会|0⟩和|1⟩铰链上与其他的。队伍的可能性激增作为量子位成为越来越多的“纠结”与每个操作。同时成倍可能性操纵ESTA持续和不断增长的数量是什么让如此强大的理论上的量子计算机。

但令人发狂的量子比特是容易出错。最薄弱的磁场或杂散微波按他们接受的原因“比特翻转”,开关他们的是机会|0⟩和|1⟩相对于其他量子位,或“相位翻转”即反转它们两者之间的数学关系状态。量子计算机的工作,科学家们必须找到保护个人的量子位时甚至会损坏信息方案。更重要的是,这些方案必须侦测和修正错误而不用直接测量量子比特,因为测量塌陷量子比特共存定可能性变成现实:0或1老式不能维持量子计算。

In 1995, Shor followed his factoring algorithm with another stunner: proof that “quantum error-correcting codes” exist. The computer scientists Dorit AharonovMichael Ben-Or (和 other researchers working independently) proved 一年后,可以在理论上推动这些​​代码错误率接近于零。 “这是在20世纪90年代的主要发现说服人们可扩展的量子计算应该在所有可能的。”说着 Scott Aaronson, a leading quantum computer scientist at the University of Texas — “that it is merely a staggering problem of engineering.”

Peter Shor, Dorit Aharonov and Michael Ben-Or laid the foundation for quantum error correction 和 fault-tolerant quantum computing more than 20 years ago.

Courtesy of Peter Shor; Courtesy of Dorit Aharonov; The Hebrew University of Jerusalem (Ben-Or)

Now, even as small quantum computers are materializing in labs around the world, useful ones that will outclass ordinary computers remain years or decades away。到目前为止,需要更有效的量子纠错码,以应对实际的量子位的艰巨错误率。努力以更好地设计规范是阿伦森说“领域,主要的推动力之一”,在不断提高硬件。

LEARN MORE
The WIRED Guide to Quantum Computing

但在穷追不舍这些代码在过去的四分之一世纪中,一个有趣的事情在2014年,当物理学家发现量子纠错和空间,时间和重力自然之间的深刻联系的证据发生了。相对论的爱因斯坦的一般理论,重力被定义为空间和时间面料 - 或“时空” - 弯曲周围的块状物。但强大如爱因斯坦的理论是,物理学家认为引力必须有一个更深,量子起源(一球未进扔在空中沿着穿越时空一条直线,这本身弯曲回到地球上。旅行)从中节省空间的假象时间面料不知何故出现。

That year—2014—three young quantum gravity researchers came to an astonishing realization. They were working in physicists’ theoretical playground of choice: a toy universe called “anti-de Sitter space” 这就像一个全息图。易弯曲的空间 - 时间的织物在宇宙的内部是一个投影浮现从量子纠缠住它的外边界的颗粒。 Ahmed Almheiri, Xi DongDaniel Harlow did calculations suggesting that this holographic “emergence” of space-time works just like a quantum error-correcting code. They conjectured in the Journal of High Energy Physics 这时空本身就是一个代码的防保姆(广告)的宇宙,至少”。本文已引发了量子引力社区电波活动,以及新的量子纠错码发现,时空已捕获更多的属性。

Advertisement

John Preskill 500 Internal Server Error

Internal Server Error

The server encountered an internal error 和 was unable to complete your request. Either the server is overloaded or there is an error in the application.

woven out of fragile quantum stuff。 “我们不是如履薄冰,以确保我们不作几何散架,” Preskill说。 “我认为,与量子纠错ESTA连接是为什么我们是那样的话最深的解释。”

量子纠错的语言开始还能够探测的研究黑洞的奥秘:在哪家球时空向内弯曲,从而急剧向着中心并非就连光也逃脱地区。 “一切都可以追溯到黑洞”之称almheiri,谁现在是在高等研究院在普林斯顿,新泽西州。这些矛盾缠身的地方是达到其重力和爱因斯坦的天顶广义相对论失败。 “有一些迹象表明您了解,如果空时码工具,”我说,“它可以帮助我们理解黑洞里。”

作为奖励,研究人员希望全息时空点也可能顺便到可扩展量子计算,实现绍尔和他人的很久以前的愿景。 “时空是一个很多比我们更聪明,” almheiri说。 “这是实施了这些建筑的一种量子纠错码是一种非常高效的代码。”

From left: Ahmed Almheiri, Xi Dong 和 Daniel Harlow originated a powerful new idea that the fabric of space-time is a quantum error-correcting code.Maryam Meshar (Almheiri); Courtesy of Xi Dong; Justin Knight (Harlow)

那么,怎么办量子纠错码的工作?在量子比特诀窍人心惶惶保护信息不将其存储在单个的量子位,但在众多的纠缠模式。

作为例如简单,考虑三量子位代码:它使用了三个“物理”量子比特来保护信息的“逻辑”量子比特对单比特翻转。 (该代码是不是量子纠错真的有用,因为它不能防止相位翻转,但它不过启发。)的|0⟩状态逻辑量子位对应的所有三个物理量子比特是在他们|0⟩国家和|1⟩状态对应于全部三个之中|1⟩的。该系统是在这些国家的“叠加”,指定|000⟩+ |111⟩。但说这些量子位的一个位翻转。我们如何检测和纠正,没有任何的直接测量量子位的错误呢?

这些量子位可以通过在量子电路两个栅极被供给。一个栅极检查所述第一和第二物理量子位的“奇偶校验” - 无论它们是相同的或不同的 - 和其它栅极检查第一和第三的奇偶性。当没有错误(这意味着这些量子位处于状态|000⟩+ |111⟩),奇偶校验测量门即确定第一和第二这两个与第一和第三量子位始终是相同的。然而,如果第一量子位不留神位翻转,产生状态|100⟩+ |011⟩,门检测这两个对的差。对于该第二量子位的位翻转,得到|010⟩+ |101⟩,奇偶测量门检测第一和第二量子位即是不同的,第一和第三是相同的,并且如果第三量子位翻转,栅极注明:一样的,不同的。这些独特的结果揭示了矫正手术如果有的话,需要哪些,要执行 - 一个操作,即翻回到第一,第二或第三物理量子比特而不损毁逻辑量子位。 “量子纠错,我对我来说,这就像魔术,” almheiri说。

Lucy Reading-Ikk和a/Quanta Magazine
Advertisement

最好的纠错码可以稍微恢复所有的典型的编码信​​息比你的物理量子比特的一半,即使剩下的损坏。 ESTA其实什么暗示到almheiri,和Harlow 2014年东量子纠错可能与方式防保姆从时空量子纠缠就产生了。

重要的是要注意空间的广告来自我们的“德西特”宇宙的时空几何形状不同。与我们的宇宙注入是肯定的真空能量,导致它没有绑定扩大,而反德西特空间具有负真空能量,这使得它M.C.之一的双曲几何埃舍尔的圆形极限设计。埃舍尔的镶嵌更小和更小的生物成为从圆的中心向外移动,在周边最终消失;类似地,空间维度辐射从广告空间收缩的中心离开和最终消失渐渐地,建立宇宙的外边界。上涨空间广告流行度在1997年量子引力理论界的著名物理学家胡安Maldacena后 discovered that the bendy space-time fabric in its interior is “holographically dual” to a quantum theory of particles living on the lower-dimensional, gravity-free boundary.

M. C. Escher

在探索如何对偶作品,数百名物理学家在过去的二十年,almheiri和他的同事发现,在广告空间内任意点可从稍微建造比边界的一半 - 只是作为一个最佳的量子错误-correcting代码。

他们在揣测这全息时空和量子纠错纸是同一个,这样描述他们甚至简单的代码可以被理解为2D全息图。它包括三个“qutrits” - 颗粒任何三种状态存在 - 坐在一圈等距点。 qutrits的重奏纠缠编码一个逻辑qutrit,对应于该圆的中心的单个空间时间点。代码防止任何三个qutrits的擦除点。

Of course, one point is not much of a universe. In 2015, Harlow, Preskill, Fernando Pastawski 和 Beni Yoshida found another holographic code, nicknamed the HaPPY code, that captures more properties of AdS space. The code tiles space in five-sided building blocks — “little Tinkertoys,” said Patrick Hayden 斯坦福大学在研究领域的领导者。 tinkertoy每个经销商到单个空间时间点。 “这些砖将被打的鱼在埃舍尔平铺的作用,”海登说。

Advertisement

在开心代码和其他纠错方案全息已发现,的内部空间 - 时间的区域内一切称为“缠结楔”可以从量子位上的边界的相邻区域被重建。边界上的重叠区域将具有重叠的纠缠楔,海登说,正如在一台量子计算机的逻辑量子位是从物理量子位中的许多不同的子集可再现的。 “这就是纠错性质的用武之地。”

“量子纠错使我们在代码语言,思维acerca德ESTA几何的更一般的方式” Preskill表示,加州理工学院的物理学家。同日而语,他说,“应该是适用的,在我看来,一般更多的情况” - 一个德西特宇宙像我们这样的特别。但德西特空间,缺乏空间边界,迄今已证明更难理解的全息图。

现在,研究人员喜欢almheiri,Harlow和海登与广告空间,这股与德西特世界上的许多关键特性,但更易于学习坚持。两个时空的几何形状遵循爱因斯坦的理论;他们只是在不同的方向弯曲。也许最重要的是,宇宙同时包含多种黑洞。 “重力的最重要的属性是有黑洞,”哈洛说,谁现在是物理学在麻省理工学院的助理教授。 “这就是从所有不同的力量使重心。这就是为什么量子引力是很难的。“

量子纠错的语言提供了描述黑洞的新方式。黑洞的存在被定义为“可纠的破裂,”海登说:“当有这么多的错误,你可以不再跟踪正在发生的事情在散装[时空]了,你去黑洞。它就像为你的无知水槽。“

不约而同地,当涉及到黑洞内部的无知比比皆是。霍金1974年的顿悟,黑洞辐射的热量,从而最终蒸发掉,引发了臭名昭著的“black hole information paradox“它要求所有发生的事情,黑洞吞下的信息。物理学家需要引力的量子理论来理解事物如何落于黑洞也出不来。五月的问题涉及到宇宙学和宇宙的诞生,因为展开了大爆炸奇点的很像引力坍缩成反向黑洞。

[#video: //www.youtube.com/embed/IIHucC-HPz0

广告简化了信息空间的问题。因为一个广告宇宙的边界是全息双到它的一切,所有的黑洞和信息属于黑色的那个洞是从来没有保证会丢失;它总是全息编码宇宙的边界上。暗示计算重建信息关于黑洞的量子比特,从里面的边界上,你需要访问纠缠量子比特大约四分之三在整个边界。 “略多于半数是不够的了,” almheiri说。 That've添加需要四分之三似乎想说什么不重要关于量子引力,但为什么吃起来那部分“仍然是一个悬而未决的问题。”

almheiri的第一项权利要求成名在2012年,高瘦阿拉伯联合酋长国物理学家和三个合作者加深了信息悖论。他们的理由认为,可能是永远不致落入黑洞首先,通过“防火墙”,在黑洞的事件视界防喷信息。

像大多数物理学家,almheiri并不真的相信黑洞防火墙存在,但发现周围的路已被证明很难。现在,我认为量子纠错是什么的形成,通过保护,即使它穿越黑洞的视野信息停止防火墙。在 his latest, solo work在十月从而出现,我报告说,错误修正量子是两个口的黑洞,被称为虫洞“在地平线维护时空的平滑至关重要”。我推测,量子纠错,以及预防性防火墙,tambiénESTA量子位在下降,通过内部和自身以外的事物那纠缠的股后逃脱黑洞是怎么样的微型虫洞。 ESTA就解决了霍金的悖论。

Advertisement

This year, the Department of Defense is funding research into holographic space-time, at least partly in case advances there might spin off more efficient error-correcting codes for quantum computers.

在物理学方面,它仍然是由宇宙保姆可以看出无论是像我们这样可以全息描述的,在量子位和代码的条款。 “整个连接是著名的世界,显然是没有我们的世界,”阿伦森说。在 a paper last summer, Dong, who is now at the University of California, Santa Barbara, 和 his co-authors Eva Silverstein 和Gonzalo托罗巴注意到在德西特方向迈出的一步,与在原始全息描述的一种尝试。研究人员仍然在研究个别这项提议,但Preskill认为量子纠错的语言将结转到当前最终时空。

“这真是纠缠这是保持空间一起,”我说。 “如果你想织时空一起出一小块一小块的,你要纠缠他们以正确的方式。而正确的做法是建立一个量子纠错码。“

Original story reprinted with permission from Quanta Magazine, an editorially independent publication of the Simons Foundation whose mission is to enhance public understanding of science by covering research developments and trends in mathematics and the physical 和 life sciences.


更多 Great WIRED Stories