量子容错计算仿真突破：GKP代码模拟新算法

科学家首次模拟“不可能”任务——容错量子代码终获突破

日期：2025年7月3日

来源：某机构

概要：一个跨国研究团队通过发明一种算法，破解了通往可靠量子计算的一个长期障碍。该算法让普通计算机能够忠实地模拟一个基于高难度GKP玻色子代码构建的容错量子电路，为未来量子硬件提供了一个关键的测试平台。

正文

量子计算机能够同时表示大量不同状态（即量子叠加态），从而执行复杂的计算。描述这些叠加态极其困难。如今，一个研究团队找到了一种相对简单的方法来模拟某些相关的量子叠加态。图示展示了其中一种叠加态，它可以在所谓的连续变量量子计算机内部产生。该团队能够观察到这些状态在相互作用时如何变化，并且能够利用波状模式（如图中所示）来模拟这些变化。

图片来源：某机构 | Cameron Calcluth

量子计算机在实际应用的道路上仍面临一个主要障碍：其纠正计算过程中产生错误的能力有限。为了开发真正可靠的量子计算机，研究人员必须能够使用传统计算机来模拟量子计算，以验证其正确性——这是一项至关重要但又极其困难的任务。现在，来自瑞典某机构、意大利某机构、西班牙某机构及日本某机构的研究人员首次公布了一种模拟特定类型纠错量子计算的方法，这标志着在追求稳健量子技术的征程中迈出了重大一步。

量子计算机有潜力解决当今任何超级计算机都无法处理的复杂问题。在可预见的未来，量子技术的计算能力有望彻底改变解决医学、能源、加密、人工智能和物流等领域基本问题的方式。

尽管前景广阔，但该技术面临一个重大挑战：需要纠正量子计算中产生的错误。传统计算机也会出错，但可以在问题造成影响之前，使用成熟的技术快速可靠地纠正这些错误。相比之下，量子计算机的错误率要高得多，且更难检测和纠正。量子系统目前尚不具备容错性，因此还无法做到完全可靠。

为了验证量子计算的准确性，研究人员使用传统计算机对计算过程进行模拟。因此，研究人员特别感兴趣模拟的一种重要量子计算类型，是能够承受干扰并有效纠正错误的计算。然而，量子计算巨大的复杂性使得这种模拟极其苛刻——在某些情况下，即使是世界上最先进的传统超级计算机，要重现结果也需要耗费宇宙年龄般漫长的时间。

来自瑞典某机构、意大利某机构、西班牙某机构和日本某机构的研究人员，现已成为全球首个提出一种方法，能够精确模拟特定类型量子计算的团队。这类量子计算尤其适合纠错，但至今极难模拟。这一突破攻克了量子研究领域一个长期存在的难题。

“我们发现了一种方法，可以模拟以前方法无法有效处理的特定类型量子计算。这意味着，我们现在可以使用一种用于容错的纠错码来模拟量子计算，这对于未来构建更好、更稳健的量子计算机至关重要。” 该研究的第一作者、某机构应用量子物理学博士 Cameron Calcluth 表示，该研究近期发表于《物理评论快报》。

纠错量子计算——要求严苛但至关重要

量子计算机纠错能力有限，源于其基本构建模块——量子比特。量子比特拥有巨大的计算潜力，但也极其敏感。量子计算机的计算能力依赖于量子力学中的叠加现象，这意味着量子比特可以同时以任意组合持有1和0的值以及所有中间状态。每增加一个量子比特，计算能力呈指数级增长，但其代价是对干扰的极端敏感性。

“来自环境的微小噪音，如振动、电磁辐射或温度变化，都可能导致量子比特计算错误，甚至失去其量子态（相干性），从而丧失继续计算的能力。” Calcluth 解释道。

为了解决这个问题，人们使用纠错码将信息分布到多个子系统中，从而可以在不破坏量子信息的情况下检测和纠正错误。一种方法是将一个量子比特的量子信息编码到一个振动的量子力学系统的多个（可能是无限个）能级中，这被称为玻色子代码。然而，由于涉及多个能级，用玻色子代码模拟量子计算尤其具有挑战性。在此之前，研究人员一直无法使用传统计算机对其进行可靠模拟。

新数学工具是研究团队解决方案的关键

该团队开发的方法包含一种算法，能够模拟使用一种名为 Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) 代码的玻色子代码进行的量子计算。这种代码常用于领先的量子计算机实现中。

“它存储量子信息的方式使得量子计算机更容易纠正错误，从而对噪音和干扰不那么敏感。由于GKP代码具有深层的量子力学特性，使用传统计算机模拟它一直极其困难。但现在，我们终于找到了一种独特的方法，比以往的方法更有效地做到这一点。” 该研究的合著者、某机构应用量子物理学副教授 Giulia Ferrini 表示。

研究人员通过创建一种新的数学工具，成功地将该代码应用于他们的算法中。得益于新方法，研究人员现在可以更可靠地测试和验证量子计算机的计算。

“这为模拟量子计算开辟了全新的途径，这些计算我们以前无法测试，但对于构建稳定且可扩展的量子计算机至关重要。” Ferrini 说。

更多研究信息

题为《使用真实奇维Gottesman-Kitaev-Preskill态的电路经典模拟》的文章已发表于《物理评论快报》。作者为 Cameron Calcluth、Giulia Ferrini、Oliver Hahn、Juani Bermejo-Vega 和 Alessandro Ferraro。研究人员分别任职于瑞典某机构、意大利某机构、西班牙某机构及日本某机构。FINISHED