利用自然的量子相互作用可以使格罗弗算法等更快、更可靠的计算。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们开发了一种具有突破性的量子计算方法，利用自然的量子相互作用。这种方法承诺具有更长寿命的量子位，使用格罗弗算法进行高效问题求解，并具有显著的错误容忍度。

一种潜在改变游戏规则的量子计算硬件理论方法，能够绕过当前量子计算机中存在的许多复杂问题。该策略利用自然的量子相互作用来实现算法，能够比经典计算机或常规门型量子计算机更快地处理各种现实世界的问题。

"我们的发现消除了量子硬件的许多挑战性要求，"洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论物理学家尼古拉·辛尼钦表示。他是该方法的合著者，该方法于8月14日发表在《物理评论A》杂志上。他说："自然系统，例如钻石中的缺陷的电子自旋，正好具有我们计算过程所需的相互作用类型。"

辛尼钦说，团队希望与洛斯阿拉莫斯的实验物理学家合作，利用超冷原子来展示他们的方法。他说，超冷原子的现代技术已经足够先进，可以展示使用约40至60个量子位进行这样的计算，这足以解决目前经典计算机无法访问的许多问题。量子位是量子信息的基本单位，类似于熟悉的经典计算中的比特。

寿命更长的量子位

新策略不是通过在许多量子位之间建立复杂的逻辑门系统，并保持量子纠缠来实现量子比特之间的连接。而是使用一个简单的磁场来旋转量子位，例如电子的自旋，在自然系统中。只需要精确控制自旋态的演化就可以实施算法。辛尼钦表示，这种方法可以用来解决许多提出的量子计算问题。

量子计算仍然是一个新兴领域，由于在将量子位连接成长字符串的逻辑门和保持量子纠缠所需的困难，它在发展中受限。当纠缠的量子位开始与计算机的量子系统之外的世界发生相互作用时，纠缠会在被称为退相干的过程中破坏，从而引入错误。这个过程发生得很快，限制了计算时间。真正的错误纠正在量子硬件上还没有得到实现。

新的方法依赖于自然纠缠而不是诱导纠缠，因此它需要更少的量子位之间的连接。这减少了退相干的影响。因此，辛尼钦表示，量子位的寿命相对较长。

量子算法的进展

洛斯阿拉莫斯团队的理论论文展示了该方法如何使用格罗弗算法比现有的量子计算机更快地解决数分割问题。作为最著名的量子算法之一，格罗弗算法允许在大型数据集中进行无结构搜索，这些搜索对传统计算资源产生重大消耗。例如，辛尼钦表示，格罗弗算法可以用来在两台计算机之间平均分配运行时间，以便它们同时完成任务，同时还能完成其他实际工作。该算法非常适用于理想化的、经过纠错的量子计算机，尽管在今天容易出错的机器上实施它很困难。

错误容忍度和简洁性

辛尼钦说，量子计算机的建设旨在比任何经典设备都要快得多执行计算，但到目前为止，实现这一点一直非常困难。传统的量子计算机使用量子电路-包括不同量子位之间的一系列基本操作。

洛斯阿拉莫斯的理论家们提出了一个有趣的替代方法。

我们注意到，对于许多著名的计算问题来说，只需要具有基本相互作用的量子系统就足够了，其中只有一个量子自旋-可以用两个量子位实现-与其他计算量子位相互作用，"辛尼钦说。"然后，仅作用于中心自旋的单个磁脉冲就可以实现量子格罗弗算法中最复杂的部分。"这个被称为格罗弗的神谕的量子操作指向期望的解决方案。

"在这个过程中，计算量子位之间不需要有直接的相互作用，也不需要与中心自旋的时变相互作用，"他说。一旦设置了中心自旋和量子位之间的静态耦合，整个计算只需要应用简单的时变外场脉冲来旋转自旋即可。

重要的是，该团队证明了这样的操作可以快速进行。该团队还发现，他们的方法具有拓扑保护性。也就是说，即使在控制场的精度和其他物理参数存在许多错误的情况下，它也能够抵抗这些错误，即使没有进行量子错误纠正。