从物流到金融,量子计算机正在各个领域不断发力。但正如人们所知,这项技术仍处于研究试验阶段,且受制于硬件,今天的机器往往会遭遇一系列频次较高的硬件故障。

相比之下,经典计算机可能在运行了10亿年后,才会出现一次故障。很明显,量子计算机前路漫漫,依旧有许多困难需要我们克服。

 

1. 量子纠错(QEC)技术

一些量子计算机制造商巨头,例如IBM和谷歌的量子计算发展路线图中皆部署了“量子纠错(Quantum error correction, QEC)”技术,希望通过此项技术来实现所谓的容错量子计算,因为这些公司将来需要将其量子计算机的量子比特数量扩展到数千,甚至数万个。

QEC是一种用于识别并修正量子计算机错误的算法,它能够借鉴经过验证的数学方法,来设计特殊的“抗辐射”经典微处理器,并将其部署在太空或其他更容易发生错误的极端环境中。

世界各地的实验室中,都可以看到关于QEC的演示,进一步证明了QEC是一项可行的技术方法

详解量子纠错如何给量子计算硬件商带来收益,2021开始走向实用化-量子客
图1|量子纠错技术(来源:ACM)

Q-CTRL是澳大利亚一家大型量子计算机软件提供商,Michael J. Biercuk作为其首席执行官,同时也是悉尼大学量子物理和量子技术教授,他认为,今年,量子纠错可能会为量子计算硬件带来净收益。

不幸的是,蓬勃发展之下,容易出现误导,错使人们相信QEC技术就是未来量子计算弊端的灵丹妙药。

当QEC与容错量子计算理论相结合时,从原则层面来看,工程师们可以建造一台任意大小的量子计算机。且如果操作得当,该计算机可以进行任意时长的计算。

从这点来看,这项技术是惊人的,因为其前景支撑着整个量子计算机科学领域:也就是用运行QEC技术的逻辑量子比特,取代所有的量子计算硬件,这样一来,实现这世界上最复杂的算法也不算难事。

例如,Shor(秀尔)的算法只需部署几千个纠错的逻辑量子比特,就可以让比特币变得不安全。

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图2|量子计算威胁比特币安全(来源:Medium)

而当人们开始审视QEC的具体实施细则时,挑战就来了。执行QEC算法本身,就是一件十分消耗资源的事情,因为这个过程需要更多的量子比特和操作

回到工业界对于1000个量子比特机器的承诺,这个十分消耗资源的过程可能要求1000个量子比特中包含5个有用的逻辑量子比特。且执行QEC所必须做的额外工作量,所引入的错误比修正更多

 

2. QEC的前世今生

围绕QEC展开的研究可以追溯到20世纪90年代末,当时引入了一些数学技巧,放宽了相关的开销,使逻辑量子比特更轻松地进行计算,同时不会影响到正在进行的计算。

当时在蓬勃发展的同时,也带来了巨大的收益,使达到盈亏平衡点。实际上,执行QEC比不执行QEC要好,至少比原来的预测接近1000倍。尽管如此,实验表明大多数情况下,什么都不做要比执行QEC至少强10倍

这就是为什么美国情报机构运行的一个重要公共部门,在过去四年中的主要研究项目,是仅用一个逻辑量子比特,寻求最终跨越实验性硬件的盈亏平衡点。

Q-CTRL的首席执行官Michael J. Biercuk补充说,明确达成这一目标的时间可能就在2021年,但这仅仅是技术发展的开端,并非结尾,余下还有很多工作要做。

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图3|Michael J. Biercuk(来源:悉尼大学)

 

3. 药物鸡尾酒的基酒

跨越盈亏平衡点,实现有用的、能正常工作的QEC,并不代表之后的硬件都不会发生错误,只能说明错误会更少。

只有在投入无限资源的时候,QEC才能保障零错误,而这显然是一个站不住脚的命题,资源不可能是无限的。

此外,即使完全抛弃这些理论限制,QEC也是不完美的。它依赖于许多假设,这些假设是关于其负责纠错的属性的。与这些数学模型相比产生的微小偏差,会进一步降低QEC的效能。

与其将QEC视为能够治愈量子计算机中一切问题的单一药物,不如将其视为此药物鸡尾酒的重要组成部分,它需要其他调节因素。

尽管从数学层面来看,QEC对于量子计算来说很特别,但实际上它只是一种反馈稳定化的形式。

其中,反馈技术用于在驾驶时用巡航控制来调节你的速度,或用于防止步行机器人翻倒。这一认识将有可能解决量子计算中的误差问题,并最终得到一台误差较少的量子计算机。

幸运的是,有迹象表明,这一认识在逐步完善过程当中。例如,人们已经提出了一种类似于QEC的方法,这种方法有助于处理某一特定系统中最致命的错误,但换作其他系统可能无法达到相同效果。

 

4. 量子控制

量子控制可分为开环(open loop)和闭环(close loop)控制,硬件级别的开环量子控制,与基于反馈的QEC相结合,也许会特别有效用。

量子控制允许一种形式的“误差虚拟化”,即在实施QEC编码之前,对硬件的总体错误属性进行转换。

包括降低整体错误率,设备之间的一致性错误,更好的硬件稳定性用以对抗缓慢的变化,以及错误统计与QEC的假设有更大的兼容性。所有这些积极效用都有助于较少执行QEC所需的资源。

对量子计算误差问题的整体看法,从硬件层面的量子控制,到算法QEC编码,都可以在固定硬件资源的情况下,提高量子计算性能。

 

5. 后记

以上观点不能说明量子计算不看重QEC,且探索研究QEC始终处于核心位置。不过,对实际成果的追求,甚至会使我们放弃容错量子计算的抽象概念,取而代之的更像是容纳足够多错误的量子计算。

 

参考链接:

[1]https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/hardware/quantum-computer-error-correction-is-getting-practical

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁 艳