可檢測并修復(fù)計(jì)算錯誤 谷歌又向量子計(jì)算機(jī)邁進(jìn)一大步

谷歌已經(jīng)證明其Sycamore 量子計(jì)算機(jī)可以檢測并修復(fù)計(jì)算錯誤，這是大規(guī)模量子計(jì)算的關(guān)鍵一步。

量子計(jì)算機(jī)和普通計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度差距非常大。比如一個異常復(fù)雜的運(yùn)算，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要運(yùn)算 1 萬年才得出結(jié)果，而 Sycamore 量子計(jì)算機(jī)只需要 200 秒就能完成。

該研究論文題目為《通過循環(huán)糾錯對位或相位錯誤進(jìn)行指數(shù)抑制(Exponential suppression of bit or phase errors with cyclic error correction)》，該研究成果已于 2021 年 7 月 14 日在 Nature 雜志上發(fā)表。

一、量子計(jì)算機(jī)糾錯困難

量子計(jì)算機(jī)和普通計(jì)算機(jī)一樣，很容易出現(xiàn)由底層物理系統(tǒng)“噪聲”引起的錯誤。普通計(jì)算機(jī)能夠通過加入具有糾錯能力的校驗(yàn)碼來進(jìn)行檢測。在量子計(jì)算機(jī)中，問題要復(fù)雜得多，因?yàn)槊總€量子比特都處于 0 和 1 的混合狀態(tài)，任何檢測它們的方式都會直接破壞數(shù)據(jù)。

理論上有一種檢測量子計(jì)算機(jī)錯誤的方法，就是通過將多個量子比特當(dāng)做一個邏輯量子比特(logical qubit)，從而能夠在不破壞邏輯量子比特中的儲存信息的情況下，發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤。盡管這樣的邏輯量子比特以前就已經(jīng)被創(chuàng)造出來了，但直到現(xiàn)在它們還沒有被用于糾錯。

谷歌 AI Quantum 的 Juian Kelly 和他的同事們在谷歌的 Sycamore 量子計(jì)算機(jī)上演示了這個概念。他們實(shí)現(xiàn)了嵌入在超導(dǎo)量子位二維網(wǎng)格(two-dimensional grid of superconducting qubits)中的一維鏈重復(fù)碼(one-dimensional repetition codes)。重復(fù)碼基于的量子比特?cái)?shù)量從 5 個提高到 21 個時，對邏輯錯誤的抑制實(shí)現(xiàn)了最多 100 倍的指數(shù)增長。這種錯誤抑制能力在50 次糾錯實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)穩(wěn)定。

他們發(fā)現(xiàn)每增加一個物理量子比特，邏輯量子比特的錯誤率就會呈指數(shù)下降。研究小組雖然不能檢測每一個額外的量子比特，但是當(dāng)集體(collectively)測量時，仍然有足夠的信息來推斷量子計(jì)算是否發(fā)生了錯誤。

二、成熟的量子計(jì)算機(jī)可能需要 1000 個量子比特

Kelly 表示，能夠解決量子計(jì)算糾錯問題，意味著未來有可能制造出更實(shí)用、更可靠、更成熟的量子計(jì)算機(jī)(大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī))。團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功地從概念上演示了解決量子計(jì)算機(jī)糾錯的方案，但仍然存在巨大的挑戰(zhàn)。給每個邏輯量子比特添加更多的量子比特也會帶來問題，因?yàn)槊總€物理量子比特本身都容易出錯。一個邏輯量子比特遇到錯誤的幾率隨著其內(nèi)部量子比特?cái)?shù)量的增加而增加。

在這個過程中有一個盈虧平衡點(diǎn)，稱為閾值(threshold)，在這個臨界點(diǎn)上，糾錯功能捕捉到的問題比量子比特增加帶來的問題更多。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，成熟的量子計(jì)算機(jī)將需要1000 個量子比特來制造每個邏輯量子比特，但 Sycamore 目前只有 54 個物理量子比特。

倫敦帝國理工學(xué)院的 Peter Knight 表示，谷歌的研究正在朝著未來量子計(jì)算機(jī)所必需面對的困難邁進(jìn)。他說：“如果我們不能做到這一點(diǎn)(量子計(jì)算糾錯)，我們就不會有一個大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)”。他對谷歌的突破表示稱贊，認(rèn)為谷歌團(tuán)隊(duì)找到了正確的量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的路線圖。

結(jié)語：成熟的量子計(jì)算機(jī)還要等多久?

谷歌團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的量子計(jì)算糾錯方法，并且錯誤抑制能力在 50 輪糾錯計(jì)算中保持穩(wěn)定。這意味著量子糾錯可以將錯誤率控制在一定范圍，為將來的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)研究提供了參考。

量子計(jì)算機(jī)擁有普通計(jì)算機(jī)不可比擬的速度優(yōu)勢，這在大數(shù)據(jù)時代顯得尤其重要，不論是解決數(shù)學(xué)難題還是數(shù)據(jù)預(yù)測都將占據(jù)主動優(yōu)勢。成熟的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)，很有可能會改變互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

關(guān)鍵詞： 檢測 修復(fù) 計(jì)算錯誤 谷歌 量子計(jì)算機(jī)