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《IBM报告一种新的量子纠错码比以前的方法效率高10倍》

  • 来源专题：集成电路与量子信息
  • 编译者： 于杰平
  • 发布时间：2024-06-15

  • IBM研究人员描述了一种新的量子纠错代码，该代码在保护脆弱的量子数据免受累积错误方面比以前的方法效率高出约10倍。这种方法被称为Gr?ss代码，使实用量子计算机更接近现实。

    3月27日，研究成果发表在《自然》上。

    来源：https://thequantuminsider.com/2024/03/28/ibm-reports-10-times-more-efficient-error-correcting-method-brings-practical-quantum-computers-closer-to-reality/

  • 原文来源：https://www.quantumchina.com/newsinfo/7020044.html
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  • 《谢菲尔德大学的研究人员通过在测量中减少量子误差开创了一种无需复杂量子纠错码（QEC）的量子测量新方法》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2024-11-01
    • 近日，谢菲尔德大学的研究人员开发了一种新的量子纠错方法，实现了在不需要复杂的量子纠错码的情况下，仍可以使量子测量结果更加可靠。该方法使用来自经典纠错码的结构化“交换可观察对象”来检测和纠正测量结果中的错误，从而提高依赖经典数据输出的近期量子应用的准确性。该方法可以增强各种量子系统的性能，通过使用最少的资源来实现纠错，并使量子算法在短期内更加可行。 该方法由谢菲尔德大学的Yingkai Ouyang开发，欧阳教授提供了一种通过一系列结构化测量来检测和纠正量子测量错误的方法，这些测量可以防止数据丢失并提高准确性。这项研究成果解决了量子计算中的一个关键问题：保持稳定可靠的测量，这是实现实用、抗错量子系统的必要步骤。 量子测量是量子信息处理不可或缺的一部分，但它们也容易受到导致结果失真的量子误差的影响。每一种量子算法（无论是用于数据加密、模式识别还是复杂的科学建模）都依赖于对量子状态的精确测量。根据欧阳教授的研究，这些测量中的误差可能包括多种来源，比如环境噪声或硬件精度限制，这些都会导致最终结果不准确。 大多数传统的纠错方案都侧重于保护量子状态免受外部干扰，但新方法采取了不同的路径。欧阳教授的方案不是用复杂的纠错码对数据进行编码，而是引入了从经典纠错码衍生出来的“对易可观测量”。 对易可观测量是可以同时执行而不会相互干扰的物理量。通过在结构化序列中使用这些可观测量，新方案旨在检测并纠正由测量结果中的误差引起的任何不一致。正如欧阳教授所言，这种方法可以让量子系统对测量的经典数据结果进行纠错，而无需处理完全编码量子数据本身的开销。 这种技术的一个优点是，它可以直接在量子测量中进行纠错，绕过了全面量子纠错系统（QEC）的一些限制，这些限制很难在目前的量子设备上实现。 欧阳教授认为，这种方法对于当今正在开发中的算法有很大帮助，因为这些算法通常无法访问完全开发的QEC基础设施。那些专为现阶段量子计算机上使用而设计的近期算法，通常依赖于量子测量的经典输出。它们包括用于量子学习或量子参数估计等任务的算法，这些算法在人工智能和药物研究等领域都有应用。在此类应用中，不准确的测量会降低性能，但这种新方法可以提高其可靠性。 欧阳教授的量子纠错方案可以比作一个多层安全检查点系统，其中每个检查点都会交叉检查数据是否有误，即使有错误未被第一层检出，也能获得可靠的结果。 欧阳教授这个方案的核心技术是使用一种称为“投影测量”的特殊测量方法。“投影测量”旨在隔离特定的量子状态以供观察，从而最大限度地降低引入新错误的风险。在这个新方案中，每个“投影测量”结果都被一组“对易可观测量”所取代，这些可观测对象基本上执行相同的功能，但内置了冗余以允许错误检测。通过将每个测量结果与一个特定的经典编码联系起来，来定义如何纠正错误，该方案创造了一种可靠的方法来识别和处理出现的错误。 例如，如果测量误差改变了某个特定可观察量的结果，则经典代码会识别这种不一致并根据预定义的规则纠正错误。欧阳教授表示，这是一种类似于数字通信中经典纠错码的工作方式，其中冗余数据位用于检测和修复传输错误。这里的区别在于，冗余是内置于量子测量过程本身的，使其符合量子计算的独特要求。 该方案还可以适应不同类型的量子系统。例如，欧阳教授认为，虽然传统的QEC量子纠错方法通常与“稳定器代码”相关联，稳定器代码是为特定类型的量子系统特别设计的一类编码，但新方案则适用于“非稳定器”代码。非稳定器代码包括“玻色子代码”等系统，这些系统因其能够比传统方法更有效地表示复杂量子态而受到关注。这种灵活性意味着该方案可以应用于更广泛的量子计算架构，即使在与传统QEC量子纠错不完全兼容的系统中，也能为容错计算打开大门。 根据欧阳教授的说法，这种方法的实现只需要少量资源。例如，只需要配备辅助量子态等基本组件和简单测量工具（如同相检测器）就足够了。同相检测是一种测量光属性的技术，该技术广泛用于实验量子物理学，且非常适用于此。通过保持最少的设备需求，该方法可以集成到现有的量子系统中，而无需对基础设施进行重大变更。 这项研究为量子测量可靠性的长期挑战提供了实用的见解。量子测量中的误差会影响两个主要元素：“经典结果”，即从测量中获得的数值数据，以及“测量后状态”，即测量后量子系统的结果状态。欧阳教授的方案主要侧重于纠正经典结果中的错误，这对于近期的量子设备来说至关重要，因为它可以增强算法的精度并提高整体性能。 这种方法的一个区别在于，可以根据所需的容错能力灵活地选择可观测对象的数量。欧阳教展示了通过正确选择经典编码，可以减少所需的可观测量，从而降低测量负载和操作复杂性。例如，在他的分析中，证明了10个可观测对象即可达到以前需要15个可观测对象才能达到的容错率，这使得新方法对于某些应用程序来说更加高效。 欧阳教授的工作还为“综合症提取”的潜在增强奠定了基础，从而与量子纠错领域的更广泛的应用相关联，“综合症提取”是一个识别和纠正容易出错的数据的过程。 传统的QEC量子纠错依赖于大量的“综合症提取”过程，这需要耗费不少时间和资源。欧阳教授的新方案可以简化这一过程，特别是在像“二项式码”这样的非稳定器代码中，这些代码将量子信息编码在特定状态的光中。通过在这些编码中实施稳定的测量，欧阳教授的方法可以促进更实用的容错量子计算 这种方法可能存在一些局限性——这也为科学家的进一步研究指明了方向。例如，虽然该方案与某些类型的非稳定器代码（如玻色子代码）兼容，但它可能无法在所有量子系统中提供相同级别的灵活性和有效性，尤其是那些具有更复杂动态误差的系统。尽管该方法所需的资源比完整的QEC量子纠错要少，但在大规模实施该方案时可能需要大量的辅助状态和高精度的测量。这可能会给扩展到更大的容错量子计算的工作带来新的挑战。 欧阳教授设想将这种应用纠错方案用于提高近期量子算法的测量可靠性，这些算法还不能使用完整的QEC量子纠错。进一步的研究可以测试该方法在实际算法应用中的有效性，例如量子学习或参数估计。 同样地，从长远来看，这种新方案可以补充现存容错系统中的传统QEC量子纠错方法，从而可能减轻资源需求。将该方案与完整的QEC量子纠错协议相结合的研究，，可能会导致在可扩展的量子计算架构中实现更高效的纠错机制。 Yingkai Ouyang 是谢菲尔德大学的量子计算研究员，专门研究量子纠错和测量可靠性。 该研究的成果已经发表在《NPJ Quantum Information》期刊上（DOI：10.1038/s41534-024-00904-y）。
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  • 《Nat Biotechnol：开发出一种新的DNA合成方法》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2018-07-02
    • 在一项新的研究中，来自美国加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室和联合生物能源研究所的研究人员发明了一种合成DNA的新方法。这种方法有望更容易地更快速地合成DNA，并不需要使用毒性化学物，而且可能是更准确的。鉴于具有更高的准确性，这种技术能够产生比当前的方法长10倍的DNA链。这些研究人员说，这种易用性可能会导致研究实验室中普遍存在的“DNA打印机”，类似于如今许多车间中的三维打印机。相关研究结果于2018年6月18日在线发表在Nature Biotechnology期刊上，论文标题为“De novo DNA synthesis using polymerase-nucleotide conjugates”。加州大学伯克利分校研究生Dan Arlow和德国达姆施塔特工业大学博士生Sebastian Palluk在这项研究中详细描述了这种方法。 Arlow说，“如果你是一名机械工程师，在你的商店里有一台3D打印机真的很棒，它可以在一夜之间打印出零件，这样你就可以在第二天早上测试它。如果你是一名研究人员或生物工程师，而且你有一种简化DNA合成的仪器，即'DNA打印机'，那么你就能够更快地测试你的想法并尝试更多的新想法。我认为这将带来很多创新。” 联合生物能源研究所首席执行官、劳伦斯伯克利国家实验室资深科学家和加州大学伯克利分校化学与生物分子工程教授Jay Keasling说，“我个人认为Arlow和Palluk开发出的这种新方法可能会引发我们制造DNA方法的变革。” Palluk在Keithling实验室与Arlow一起研究DNA合成问题。作为合成生物学领域的先驱，Keasling和联合生物能源研究所的科学家们致力于将基因导入到微生物（主要是酵母和细菌）中来可持续地产生产品---药物、燃料，工业化学品，同时产生最少的毒性副产物和消耗最少的能源。 合成DNA是一项不断发展的业务，这是因为公司订购定制的基因，这样它们就能够在培养微生物的大缸中产生生物药物、工业酶或有用的化学物质。科学家们购买合成基因，并将它们导入到植物或动物体内或者尝试着开展新的基于CRISPR的疾病治疗方法。 一些科学家甚至提出将信息存储在DNA中，就像如今将数字数据存储在计算机硬盘中一样，这是因为一克DNA在理论上的存储容量相当于5000万张DVD，并且应当会在数百年内保持稳定。然而，这意味着要合成的DNA链数量比目前在生物技术行业中使用的DNA链数量大得多。 所有这些应用都要求这种DNA合成过程在数百万甚至数十亿个DNA分子拷贝中忠实地产生所需的核苷酸或碱基---DNA的构成单元（building block）---序列。 目前的DNA合成方法可追溯到1981年并使用来自有机化学实验室的技术，仅限于直接产生大约长200个碱基的寡核苷酸，这是因为随着合成长度的增加，这个过程中出现的不可避免的错误导致正确序列的产率非常低。为了组装一个小的基因，科学家们必须逐段合成它，每段大约长200个碱基，然后将这些片段拼接在一起。这很费时，通常需要多次尝试，而且有时完全失败。 此外，如果从Twist Biosciences公司和Integrated DNA Technologies（IDT）公司等合成公司订购，那么合成一个大约长1500个碱基的小基因的周转时间可能为两周，需要花费300美元，这就限制了科学家们能够承担得起的尝试进行基因调整的数量和他们开始能够开展实验的速度。 Keasling、Arlow和Palluk等合成生物学家经常需要一次性地将十几种不同的基因插入一种微生物中，使其产生所需的化学物质，然而每个基因都存在它自己的合成问题。 Palluk说，“作为一名德国学生，我参加了国际合成生物学竞赛iGEM，在那里我们试图让大肠杆菌降解塑料废物。但是我很快就意识到大部分研究时间都用于合成DNA，而不是开展实验来观察所获得的工程细胞是否能够降解塑料。这真地促使我研究DNA合成过程。” 化学DNA合成还需要使用特定类型的有毒性的活化DNA构成单元，并重复使用石油衍生溶剂进行清洗。Arlow说，如今，废物处理的问题和这种合成过程对湿度非常敏感使得它非常挑剔的事实都成为科学家们抛弃他们的个人寡核苷酸合成仪并将他们的DNA交给专业公司进行合成的理由。 借鉴免疫系统 这项新的技术依赖于在免疫系统细胞中发现的一种DNA合成酶，这种DNA合成酶天然地能够将核苷酸添加到水中的现有DNA分子上。这种技术有望提高精确度，并可能让DNA链的合成时间延长10倍，从而能够合成出长数千个碱基的DNA分子---一个中等基因的大小。 Palluk说，“我们已想出一种合成DNA的新方法，它利用了大自然用来制造DNA的机器。这种方法很有前途，因为酶已进化了数百万年才能完成这种精确的化学反应。” 细胞通常不会从头开始合成DNA；它们主要都是在已存在于它们中的DNA模板的基础上，利用大量不同的聚合酶进行DNA复制。然而，在20世纪60年代，科学家们发现了一种不寻常的聚合酶，它不依赖于现有的DNA模板，而是随机地将核苷酸添加到制造用于免疫系统中的抗体的基因上。这种被称作末端脱氧核苷酸转移酶（terminal deoxynucleotidyl transferase, TdT）的酶在这些基因中产生随机变异，从而使得产生的抗体蛋白能更好地靶向前所未见的入侵者。 Paldk说，TdT同等地很好地添加所有四种DNA核苷酸，不会发生能够破坏所形成的DNA分子的副产物，并且它的添加速度是非常快的，如果让它随心所欲地发挥作用的话，它每分钟可将DNA延长大约200个碱基。 多年来，许多实验室都已尝试着利用这种酶来合成所需的DNA序列，但这种酶是很难控制的。一个关键要求就是弄清楚如何让这种酶在添加一个核苷酸后停下来，这样就能够一次添加一个碱基从而合成出所需的序列。所有之前的方案都是试图通过使用携带着阻止多次添加的特殊阻断基团的修饰核苷酸来实现这种控制。在给DNA分子添加一个受到阻断的核苷酸后，这些阻断基团就被移除，从而使得接下来的添加成为可能。 Palluk说，“这些方法与下一代测序（Next-Generation Sequencing, NGS）技术有很多共同之处”，他指的是用于读取基因序列的最先进技术，其工作原理是通过使用模板依赖性聚合酶依次地添加发出不同颜色荧光的阻断核苷酸，从而指出添加了这四种可能的碱基中的哪一种。尽管这些用于测序的DNA复制酶能够容纳添加到DNA分子上的核苷酸携带的阻断基团，但是TdT却不能做到这一点。当一个核苷酸正确地定位用于DNA合成反应时，TdT的活性位点太紧而不适合容纳它携带的阻断基团。 Arlow的想法是将一个未携带阻断基团的核苷酸牢固地连接到TdT上，这样在将这个核苷酸添加到延伸中的DNA分子后，这种酶仍然保持连接并且保护DNA链的末端免受进一步的核苷酸添加。在DNA分子延伸后，他们切断TdT与这个添加到DNA链上的核苷酸之间的连接物，将这种酶释放出来，并让DNA链的末端重新暴露出来以便接受进一步的核苷酸添加。 在他们的第一次试验---使用经过改造的TdT酶在10个循环中产生长10个碱基的寡核苷酸---中，这些研究人员证实他们的更快更简单的技术在每一步合成中几乎与当前的技术一样准确。 Arlow说,“当我们利用NGS技术分析合成产物时，我们能够确定大约80％的分子具有所需的长10个碱基的序列。这意味着，平均每个步骤的产率大约为98％，这对解决这个存在了50多年的问题的第一次尝试来说并不算太坏。我们希望达到99.9％的保真度，以便合成出全长DNA。” Palluk说，一旦达到99.9％的保真度，他们就能够一次性合成一种长1000个碱基的分子，产率在35％以上，对目前的化学合成技术来说，这是完全不可能实现的。 他说，“通过直接合成更长的DNA分子，将寡核苷酸拼接在一起的必要性以及由这个繁琐的过程产生的限制可能就会减少。我们的梦想是直接合成基因长度的序列，并在几天内将它们提供给科学家们。” Arlow说“我们希望这种技术将使得生物工程师更容易更快地弄清楚如何通过生物手段制造出有用的产品，这可能导致以一种需要更少石油的方式更可持续地生产我们在世界上所依赖的东西，包括服装、燃料和食品。”
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