为了可靠地执行复杂的大规模计算，计算系统依赖于所谓的纠错方案，即旨在保护信息免受错误的技术。对于量子计算机(利用量子力学原理进行计算的设备)而言，这些技术可能更为重要。

这是因为量子计算机极易出错，因为量子比特(即其信息单位)可能因与环境的相互作用而失去其量子状态。量子计算机的纠错方案应根据量子力学过程量身定制，以解决量子计算系统的独特漏洞。

迄今为止开发的大部分纠错码都是为了减轻基于量子比特的系统中的错误而设计的。然而，这些方案通常与在玻色子系统中存储信息的其他量子设备(如光子谐振器)不兼容。

美国国家标准与技术研究院/马里兰大学的研究人员最近提出了一种构建量子码的新框架，该框架也可应用于玻色子量子系统。他们的框架在《自然物理学》杂志上发表的一篇论文中概述，具体提出了在球体上定义的量子码的构造。

“在研究生院时，我曾是研究猫代码的研究人员之一，这种代码用于利用光存储量子信息，”该论文的主要作者维克多·V·阿尔伯特告诉Phys.org。“因此，这些代码是光子代码或更一般地说是玻色子代码的一个实例。信息将存储在两个经典电磁信号的叠加中。这些信号的幅度不同，但它们的波长相同。”

在开发出这些所谓的猫码之后，Albert和他的一些同事开始探索将它们推广的可能性，以便将它们应用于不同波长的多种电磁信号。虽然他们能够开发一些系统特定的代码，但Albert认为他们仍然没有得出一个可以在不同系统之间推广的统一框架。

“从那时起，最简单的猫码变得越来越突出，并与亚马逊AWS、耶鲁量子电路公司和法国的Alice&Bob所追求的计算方案相关，”阿尔伯特说。“作为我们新研究的一部分，我们着手开发一种方法来定义和研究猫码对多种幅度和频率的电磁信号的扩展。”

所有量子代码都需要某种东西的叠加，而Albert和他的同事意识到将相隔良好的点叠加在球面上是有意义的。他们的框架建立在之前提出的一种方法之上，该方法可以将任意频率的电磁信号映射到球面上的点上。

“信息论的创始人克劳德·香农(ClaudeShannon)发明了一种古老而又非常通用的技术，可以将任意固定振幅但任意频率的电磁信号映射到球面上的一点，”阿尔伯特解释说。“这意味着，使用光高效地发送经典信息归结为在球面上填充尽可能多的点，同时确保噪声不会导致它们重叠。”

研究人员从这个想法出发，试图将其转化为量子计算。他们的努力最终发展出了构建量子球面码的新理论框架。

“我们意识到，量子版本就是考虑叠加人们之前确定的适合传输经典信息的点集。在低维度中，这些集合包括著名的柏拉图立体的角，”阿尔伯特解释说。“在高维度中，某些集合与奇异的格子和二进制代码有关。”

在他们的论文中，Albert和他的同事概述了叠加这些集合中的点以获得高性能量子码的不同方法。虽然他们的工作到目前为止主要是理论性的，但它为创建由一些电磁信号叠加组成的光子量子码开辟了一条新的潜在途径。

“由于工业界和学术界的实验小组仍在继续研究这些最简单的实例，因此该框架可能会产生其他类似的相关代码，”阿尔伯特说。“然而，实际意义取决于未来量子设备控制的实验进展。无论如何，这个框架应该会为理论家提供一个有趣的游乐场。”

艾伯特和他的同事最近进行的这项研究，为保护玻色子量子系统免受噪声影响提供了一条潜在途径。未来，该研究可能为更多旨在开发经典球面代码的量子类似物并测试其性能的研究铺平道路。

“量子计算不是存储量子信息，而是操纵它，”Albert补充道。“定义代码后，我们现在想对它们进行操作。我们还在研究我们的框架未描述的其他类型的代码。这是光子编码理论的一个激动人心的时刻。”

更多信息：ShubhamP.Jain等人，量子球面码，