“量子纠错”证明可行？谷歌又向量子计算机迈进一大步

近日，据外媒报道，谷歌已经证明其 Sycamore 量子计算机可以检测并修复计算错误，这是大规模量子计算的关键一步。

量子计算机和普通计算机的计算速度差距非常大。比如一个异常复杂的运算，传统计算机需要运算 1 万年才得出结果，而 Sycamore 量子计算机只需要 200 秒就能完成。

该研究论文题目为《通过循环纠错对位或相位错误进行指数抑制（Exponential suppression of bit or phase errors with cyclic error correction）》，该研究成果已于 2021 年 7 月 14 日在 Nature 杂志上发表。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03588-y

一、量子计算机纠错困难

量子计算机和普通计算机一样，很容易出现由底层物理系统“噪声”引起的错误。普通计算机能够通过加入具有纠错能力的校验码来进行检测。在量子计算机中，问题要复杂得多，因为每个量子比特都处于 0 和 1 的混合状态，任何检测它们的方式都会直接破坏数据。

理论上有一种检测量子计算机错误的方法，就是通过将多个量子比特当做一个逻辑量子比特（logical qubit），从而能够在不破坏逻辑量子比特中的储存信息的情况下，发现并纠正错误。尽管这样的逻辑量子比特以前就已经被创造出来了，但直到现在它们还没有被用于纠错。

谷歌 AI Quantum 的 Juian Kelly 和他的同事们在谷歌的 Sycamore 量子计算机上演示了这个概念。他们实现了嵌入在超导量子位二维网格（two-dimensional grid of superconducting qubits）中的一维链重复码（one-dimensional repetition codes）。重复码基于的量子比特数量从 5 个提高到 21 个时，对逻辑错误的抑制实现了最多 100 倍的指数增长。这种错误抑制能力在 50 次纠错实验中均表现稳定。

他们发现每增加一个物理量子比特，逻辑量子比特的错误率就会呈指数下降。研究小组虽然不能检测每一个额外的量子比特，但是当集体（collectively）测量时，仍然有足够的信息来推断量子计算是否发生了错误。

二、成熟的量子计算机可能需要 1000 个量子比特

Kelly 表示，能够解决量子计算纠错问题，意味着未来有可能制造出更实用、更可靠、更成熟的量子计算机（大规模的量子计算机）。团队已经成功地从概念上演示了解决量子计算机纠错的方案，但仍然存在巨大的挑战。给每个逻辑量子比特添加更多的量子比特也会带来问题，因为每个物理量子比特本身都容易出错。一个逻辑量子比特遇到错误的几率随着其内部量子比特数量的增加而增加。

在这个过程中有一个盈亏平衡点，称为阈值（threshold），在这个临界点上，纠错功能捕捉到的问题比量子比特增加带来的问题更多。该团队认为，成熟的量子计算机将需要 1000 个量子比特来制造每个逻辑量子比特，但 Sycamore 目前只有 54 个物理量子比特。

伦敦帝国理工学院的 Peter Knight 表示，谷歌的研究正在朝着未来量子计算机所必需面对的困难迈进。他说：“如果我们不能做到这一点（量子计算纠错），我们就不会有一个大规模的量子计算机”。他对谷歌的突破表示称赞，认为谷歌团队找到了正确的量子计算机发展的路线图。

结语：成熟的量子计算机还要等多久？

谷歌团队发现的量子计算纠错方法，并且错误抑制能力在 50 轮纠错计算中保持稳定。这意味着量子纠错可以将错误率控制在一定范围，为将来的大规模量子计算机研究提供了参考。

量子计算机拥有普通计算机不可比拟的速度优势，这在大数据时代显得尤其重要，不论是解决数学难题还是数据预测都将占据主动优势。成熟的量子计算机技术出现，很有可能会改变互联网产业生态。

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