提及量子霸权(Quantum supremacy)和NISQ,在量子领域可谓无人不知无人不晓,这两个术语都出自John Preskill。

Preskill是加州理工学院理查德·费曼(Richard P. Feynman)理论物理学教授(加州理工学院设立的理查德·费曼杰出教育奖),亚马逊AWS 量子计算中心的学者,同时也是美国国家量子计划咨询委员会(NQIAC)的顾问。

Preskill是量子信息科学的先驱之一,一直以来对量子信息的推广起到了重要的作用,更是有人称其为美国量子信息教父。

近日,Preskill在接受亚马逊的访谈中就当下大家最关注的几个问题进行了深入的解析,以下,笔者整理概述,与君共勉。

量子信息科学先驱John Preskill带你深度了解量子计算l带你深度-量子客
图| Jhon Preskill  来源:CALTECH/LANCE HAYASHIDA

 

问题一、为什么量子计算如此困难?

量子计算之所以如此困难,是因为我们希望硬件,同时满足一系列几乎不可兼容的标准。

一方面,我们需要使量子比特,几乎完全与外界隔离,但这很不现实,因为我们要“控制”,要计算。最终,必须测量(量子比特),并且我们必须能够告诉它们该怎么按照我们的设计去执行。我们将需要一些控制线路来确定我们正在运行的算法。

那么,为什么将量子比特与外界隔离,如此重要?这是因为量子信息和以比特表示的普通信息之间存在着本质区别。当我们测量量子比特时,就必然会干扰量子态,这是量子力学中不确定性原理(Uncertainty Principle)的一种表现。每当你获得一个量子态的信息时,就会有一些不可避免的、无法控制的状态干扰。

因此,在计算时,我们直到最终要读取结果时才观察其状态。但是,除了我们自身观测会干扰到量子比特外,周围环境也会与量子系统相互作用,从而干扰到量子比特。

所以,我们需要使量子计算机几乎完全与外界隔离,否则它会产生错误。这听起来难以实现,因为量子计算机硬件永远不会是完美的。而这就是为什么量子纠错(Quantum Error Correction)的想法能够拯救世界。

量子纠错的本质是,如果您想保护量子信息,则必须通过所谓的纠缠以非局域的方式存储它。当然,这是量子计算机神奇的起源。

一个高度纠缠的态具有这样的特性,当你让一个系统的许多部分共享这个态时,你可以一次看一个部分,而这并不会泄露系统携带的任何信息,因为它实际上存储在这些部分之间不寻常的非局域量子相关性中。环境与零件的相互作用是局域的,一次一个。

如果我们以这种高度纠缠态的形式存储信息,环境就不会知道这种状态是什么。这就是为什么我们能够保护量子比特。而且,我们也弄清楚了如何处理编码在这种高度纠缠、非局域的方式中的信息。这就是量子纠错的原理。而其昂贵的原因在于,为了使量子态得到很好的保护,我们必须在许多量子比特之间共享信息。

 

问题二、今天的纠错方案可能要求在数千个其它量子比特之间共享一个逻辑量子比特(实际上是量子计算中真正涉及的一个量子比特)的信息。如果您的目标是执行涉及数十个逻辑量子比特的计算,那么,这听起来令人生畏。

是的,这就是为什么我们要尽可能地将抗错误性纳入硬件本身而不是软件中的原因。我们通常认为量子纠错的方式是拥有这些含噪的量子比特,它们是我们在特定平台上拥有的最佳量子比特。但是它们还不足以扩展到解决真正的难题。

因此,至少在理论上,我们知道应该起作用的解决方案是使用代码的方式。也就是说,我们要保护的信息以许多量子比特的集体状态编码为主,而不仅仅是单个量子比特。

 

问题三、但是,另一种方法是尝试在硬件本身的设计中使用纠错思想。我们能否使用一种在物理层面上具有某种固有噪声阻力的编码方式?

这种想法最初来自我的加州理工学院同事之一Alexei Kitaev,他的想法是你可以设计一种材料,这种材料有它自己强大的量子纠缠特性。当前,人们称这种材料为拓扑材料。通过使用这种材料,信息以非局域的方式传播,这使得很难在本地读取信息。

当下,人们正在尝试制作拓扑材料。我认为这个想法很棒,也许最终它将改变游戏规则。但是到目前为止,制造具有正确特性的拓扑材料实在太难了。

目前一个更好的选择可能是做一些介于两者之间的事。我们希望在硬件级别上有一些保护,但不要像这些拓扑材料那样深入。但是,如果我们可以降低物理量子比特的错误率,那么我们从顶层的软件保护中就不需要太多的开销。

 

问题四、对于像您这样的理论物理学家来说,一个以开发新技术为目标的项目有什么吸引力?

我学习研究的是粒子物理学和宇宙学,但在九十年代中期,我感到非常兴奋,因为我听说如果人们可以建造量子计算机,你就可以分解大质因数。作为物理学家,我们当然对经典系统和量子系统之间的本质区别很感兴趣。

而当下的情况是,我们不知道当量子系统深度纠缠时会发生什么,而我们之所以不知道,是因为我们无法在计算机上对其进行模拟,传统计算机根本做不到这一点。这意味着作为理论物理学家,我们没有真正的工具来解释这些系统的行为。

我已经在这些量子纠错码上做了很多工作。这是我近15年来的主要研究重点之一。我认为有很多原则性问题需要解决,比如,人们需要了解噪声的相关信息才能使纠错起作用。这仍然是一个重要的问题,因为我们必须对噪声和硬件做出一些假设才能取得进步。

我之前说过,环境“看待”系统的方式是局部的,一次只看一个部分。这实际上是一个假设,这取决于环境如何“看待”它。作为物理学家,我们倾向于认为物理学是局部的,事物与附近的其他事物相互作用。但是,除非我们在实验室中进行实际操作,我们才能真正确定该假设的准确性。

因此,探索量子力学中由许多粒子相互作用实现高度纠缠的复杂系统,这是物理科学的新领域。有时我将这个新领域称为纠缠边界(Entanglement Frontier)。我很高兴通过探索可以学到关于物理学的知识。在AWS,我认为,我们正在面对量子计算研究中的巨大挑战,我对此感到非常兴奋。

来源:亚马逊

 

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编辑:Sakura    审校:Peiyong Wang