智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 | 貞逸
編輯 | 云鵬
智東西(xi)7月16日消息，近日，據外媒報道，谷歌已經(jing)證(zheng)明其Sycamore量子計(ji)算(suan)機(ji)可以檢測并修復計(ji)算(suan)錯誤(wu)，這(zhe)是大(da)規模(mo)量子計(ji)算(suan)的關(guan)鍵一步(bu)。
量子計(ji)(ji)算(suan)機和普通計(ji)(ji)算(suan)機的計(ji)(ji)算(suan)速度差(cha)距非常大。比(bi)如(ru)一個異常復雜的運算(suan)，傳統計(ji)(ji)算(suan)機需要運算(suan)1萬年才(cai)得(de)出結果，而Sycamore量子計(ji)(ji)算(suan)機只需要200秒就能完成。
該研究(jiu)論文題(ti)目為《通(tong)過循環(huan)糾錯對位或相位錯誤進(jin)行指數抑制(zhi)（Exponential suppression of bit or phase errors with cyclic error correction）》，該研究(jiu)成(cheng)果已于(yu)2021年7月14日在Nature雜志上發表。
論文鏈接：
//doi.org/10.1038/s41586-021-03588-y
一、量子計算機糾錯困難
量(liang)子計算(suan)機(ji)和(he)普(pu)通計算(suan)機(ji)一(yi)樣，很容易出(chu)現由底層物(wu)理系(xi)統“噪(zao)聲(sheng)”引起的(de)(de)錯誤。普(pu)通計算(suan)機(ji)能(neng)夠通過加入具(ju)有糾(jiu)錯能(neng)力(li)的(de)(de)校驗碼來進行檢測(ce)。在量(liang)子計算(suan)機(ji)中(zhong)，問題要復雜得多，因為(wei)每個量(liang)子比特都處于0和(he)1的(de)(de)混合狀態(tai)，任何檢測(ce)它(ta)們(men)的(de)(de)方式都會直(zhi)接破壞數據。
理論上(shang)有(you)一(yi)種檢(jian)測量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算機錯誤(wu)的(de)(de)方法，就(jiu)是通過將(jiang)多個量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比特當做一(yi)個邏(luo)輯(ji)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比特（logical qubit），從而能夠在(zai)不破壞邏(luo)輯(ji)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比特中的(de)(de)儲存信息的(de)(de)情況(kuang)下，發現(xian)并糾正錯誤(wu)。盡管(guan)這(zhe)樣(yang)的(de)(de)邏(luo)輯(ji)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比特以前就(jiu)已經被創(chuang)造出來了，但直到現(xian)在(zai)它們還沒(mei)有(you)被用于糾錯。
谷(gu)歌AI Quantum的(de)(de)Juian Kelly和他的(de)(de)同事們(men)(men)在(zai)谷(gu)歌的(de)(de)Sycamore量(liang)子計算機上(shang)演示(shi)了(le)這(zhe)個概念。他們(men)(men)實(shi)(shi)現了(le)嵌(qian)入在(zai)超導量(liang)子位二維(wei)網格(ge)（two-dimensional grid of superconducting qubits）中的(de)(de)一維(wei)鏈重(zhong)(zhong)復碼(ma)（one-dimensional repetition codes）。重(zhong)(zhong)復碼(ma)基于的(de)(de)量(liang)子比特數量(liang)從5個提(ti)高到21個時，對(dui)邏輯錯誤的(de)(de)抑制實(shi)(shi)現了(le)最多(duo)100倍(bei)的(de)(de)指數增長(chang)。這(zhe)種錯誤抑制能(neng)力在(zai)50次糾錯實(shi)(shi)驗中均(jun)表(biao)現穩定。
他們發現每(mei)增加一(yi)個物理量(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)特，邏輯(ji)量(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)特的錯(cuo)誤率就會呈(cheng)指數(shu)下降。研究小組雖然不(bu)能檢測(ce)(ce)每(mei)一(yi)個額外的量(liang)(liang)(liang)子(zi)比(bi)特，但是(shi)當(dang)集(ji)體（collectively）測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)時，仍然有(you)足(zu)夠的信息(xi)來推斷量(liang)(liang)(liang)子(zi)計算是(shi)否發生了錯(cuo)誤。
二、成熟的量子計算機可能需要1000個量子比特
Kelly表示(shi)，能(neng)夠解(jie)決(jue)(jue)量(liang)子(zi)計(ji)(ji)(ji)算糾錯(cuo)問題，意味著(zhu)未來有可能(neng)制造出更(geng)實用、更(geng)可靠、更(geng)成(cheng)熟的(de)(de)量(liang)子(zi)計(ji)(ji)(ji)算機(ji)（大規模的(de)(de)量(liang)子(zi)計(ji)(ji)(ji)算機(ji)）。團隊(dui)已經成(cheng)功地從概念上演(yan)示(shi)了解(jie)決(jue)(jue)量(liang)子(zi)計(ji)(ji)(ji)算機(ji)糾錯(cuo)的(de)(de)方案(an)，但仍(reng)然存(cun)在巨大的(de)(de)挑戰。給每(mei)(mei)個邏輯量(liang)子(zi)比特(te)添加更(geng)多(duo)的(de)(de)量(liang)子(zi)比特(te)也會帶(dai)來問題，因為每(mei)(mei)個物(wu)理量(liang)子(zi)比特(te)本身都容(rong)易出錯(cuo)。一個邏輯量(liang)子(zi)比特(te)遇到錯(cuo)誤的(de)(de)幾率隨(sui)著(zhu)其內部量(liang)子(zi)比特(te)數量(liang)的(de)(de)增加而增加。
在這個(ge)(ge)(ge)過程(cheng)中(zhong)有一個(ge)(ge)(ge)盈虧(kui)平衡點，稱(cheng)為閾值（threshold），在這個(ge)(ge)(ge)臨(lin)界點上，糾(jiu)錯功能捕捉到的(de)問題比量(liang)子(zi)比特(te)增(zeng)加帶來(lai)的(de)問題更多。該團隊認為，成(cheng)熟的(de)量(liang)子(zi)計算機(ji)將(jiang)需(xu)要1000個(ge)(ge)(ge)量(liang)子(zi)比特(te)來(lai)制造(zao)每個(ge)(ge)(ge)邏輯量(liang)子(zi)比特(te)，但Sycamore目前只有54個(ge)(ge)(ge)物理量(liang)子(zi)比特(te)。
倫敦帝國理工學院的(de)Peter Knight表示，谷(gu)歌的(de)研(yan)究正(zheng)在朝著(zhu)未來量子(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)機所必需面對的(de)困(kun)難邁進。他說：“如果我們(men)不能做到這(zhe)一點（量子(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)糾錯），我們(men)就(jiu)不會有(you)一個(ge)大規模的(de)量子(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)機”。他對谷(gu)歌的(de)突(tu)破表示稱(cheng)贊，認為谷(gu)歌團(tuan)隊找到了正(zheng)確的(de)量子(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)機發(fa)展的(de)路線圖。
結語：成熟的量子計算機還要等多久？
谷(gu)歌團隊發現的(de)量(liang)(liang)子計算(suan)糾(jiu)錯方法，并且錯誤(wu)抑(yi)制能力(li)在(zai)50輪糾(jiu)錯計算(suan)中(zhong)保持穩定。這意味著量(liang)(liang)子糾(jiu)錯可以(yi)將(jiang)錯誤(wu)率(lv)控制在(zai)一定范圍，為(wei)將(jiang)來的(de)大規模量(liang)(liang)子計算(suan)機研究提供了參考。
量(liang)子計(ji)(ji)算(suan)機(ji)(ji)擁有普通(tong)計(ji)(ji)算(suan)機(ji)(ji)不可比擬的(de)速度(du)優勢，這在(zai)大數據時代顯得尤其重要(yao)，不論(lun)是解(jie)決數學難題(ti)還是數據預(yu)測都將(jiang)占據主動優勢。成熟(shu)的(de)量(liang)子計(ji)(ji)算(suan)機(ji)(ji)技術出現，很有可能會改(gai)變互聯網(wang)產業(ye)生態。
來源：Nature
