零点几秒检测所有量子计算错误，迈向可扩展的纠错时代

光子盒研究院出品

11月11日，在英国国家量子技术展示会（NQTS）上，Riverlane现场演示了在模拟量子计算机上以零点几秒的时间精确检测特定量子数据错误的整个操作周期[1]：Riverlane的量子解码器是全球第一个支持多个量子比特的解码器，将为第一代容错量子计算机提供动力。

01

可扩展的解码芯片：迈向容错量子计算的关键性飞跃

该演示是一个原型，它将成为一个解码芯片，可以放在所有未来的量子计算机中；同时，由于解码硬件的可扩展性（支持比目前可能的大得多的量子比特），这一突破性的解码技术是全球同类技术中的首创性发明，名为Deltaflow.Decode。

今天的量子计算机由于量子比特的内在不稳定性而效用有限：这种不稳定性导致了大量的数据错误，使目前所有的量子计算机都不堪重负。我们现在正进入第一代纠错的量子计算，这种错误可以被实时检测、诊断和纠正。Riverlane的可扩展高速解码器是实现向这个新时代过渡的关键组成部分。

“为了有效解决清洁能源和新药设计等领域目前无法解决的人类问题，我们需要过渡到新一代的纠错量子计算机，可以不受干扰地进行数百万次高速运算。今天的量子计算机仍然只能进行大约100次操作才会失效。这种过渡需要时间，但现在就应该开始。我们的解码器是一个关键的组成部分，也是一个飞跃。”Riverlane的创始人兼首席执行官Steve Brierley对此表示。

02

Deltaflow.Decode解决方案：应对量子纠错（QEC）问题

随着我们要执行的量子计算时间越来越长，需要越来越大的纠错码，产生的数据量也越来越多。预计一台公用规模的量子计算机每秒将产生数TB的纠错数据，这个数据量相当于Netflix全球流媒体数据，或欧洲核子研究中心的ALICE探测器所产生的数据。所有这些数据都需要在产生时迅速处理，否则，计算就有可能陷入停顿。

因此，Riverlane提出了一种新的方法，将数据处理问题并行化（实时处理综合征数据），从而在不牺牲精度的情况下实现几乎任意速度的量子纠错（QEC）问题处理。团队开发的Deltaflow.Decode是一套完整的解决方案，旨在帮助硬件合作伙伴实现容错量子计算的目标。

Riverlane最新解码器（RL）与Union-Find（UF）算法——目前实时解码的主要解决方案之一。通过对解码器硬件进行建模，Riverlane改进后的算法在一系列的解码任务中要快60-80%。此外，实现了70%的内存占用，大大改善了设备的功耗和可扩展性。

使用旋转平面码（RLv4.1）计算测量误差的Riverlane解码器频率。(a)在不同的电路级去极化噪声p下，不同代码大小的解码频率。(b)在0.4%的电路级噪声下，使用多个解码核心的架构与传统的串行方法相比，Riverlane解码器的在线解码频率预测（深绿色线）。红色虚线为超导设备上的在线解码所需的最小解码速度设定了一个标准。

已有文献中提出的解决方案并没有解决可扩展性的问题，随着增加码距以进一步抑制错误，解码问题将变得更加困难；因此，无论解码器的实现速度有多快，总会存在一个最大距离：超过这个距离，硬件将无法跟上数据采集的步伐。Riverlane解决了这个关键问题，使得解码器在不影响精度的情况下可以有效地分布在许多内核上，带宽主要受限于可以专门用于该任务的经典资源的数量。结果表明，新的解码器能够以适度的内核数量解码传统上具有挑战性的距离11编码；此外，这一解决方案所能提供的额外带宽对于解决产生纠缠的量子比特所需的逻辑操作过程中出现的更复杂的问题至关重要。

最后，尽管解码器的速度是一个关键指标，但确保对逻辑错误的有力抑制也很重要。为了获得良好的逻辑性能，必须使解码器适应综合征提取电路中出现的噪声。在下图中，团队在现实的电路级噪声模型上模拟了解码器的逻辑错误率；最终发现，随着距离的增加，错误有明显的指数级抑制。

解码器精度比较。(a) RLv4.1（正方形和实线）和MWPM（三角形和虚线）解码器在不同的电路级噪声水平下的逻辑错误率作为代码距离的函数。(b)使用MWPM和RLv4.1解码器对谷歌量子人工智能发布的真实量子计算机的数据进行解码，逻辑错误率是解码轮数的函数。

此外，Riverlane的解码器还与最小重量完美匹配（MWPM）——解码表面码的行业标准，进行了比较：逻辑错误率只有一个小的增加，而这一增加很容易被代码距离增加所补偿。该团队还在谷歌量子人工智能发布的真实量子计算机的数据上测试了解码器，如图所示，Riverlane的解码器在实验中表现良好，MWPM只在逻辑错误率上保持了微小的优势。

因此，Riverlane表示，“我们有信心，我们的解码器有能力解决现实世界的问题，并帮助合作伙伴实现容错量子计算。”Riverlane的解码器将为解码速度设立一个新的行业标准，可以按比例解决复杂的解码问题，并具有与较慢的MWPM解码器相当的精度。

03

Riverlane的量子纠错之路：早有布局

早在2021年12月，Riverlane就宣布[2]通过英国政府的国家量子技术计划获得了750万英镑的资金来建立一个纠错的量子处理器。量子计算机制造商Universal Quantum将利用Riverlane的软件和专业知识来解决捕获离子量子计算机的量子纠错问题；Riverlane还将与罗尔斯·罗伊斯公司合作探索，量子计算机如何为开发更可持续、高效的喷气发动机提供实际应用。

2022年1月，Riverlane宣布[3]任命谢菲尔德大学的研究员和高级讲师、前亚马逊网络服务公司(AWS)的高级科学家Earl Campbell博士为架构主管。

Earl Campbell

Earl花了超过16年的时间来开发如何最好地设计容错量子计算架构，包括对量子纠错、容错量子逻辑和编译以及量子算法的贡献。在Riverlane工作期间，Earl将与来自微软、ARM、三星、英特尔和白宫的领导人一起工作，并将负责领导技术发展和软件的架构设计，以支持容错量子计算硬件。

对于此次人事任免，Riverlane的首席执行官和创始人Steve Brierley说道：“解决纠错问题是量子计算的下一个决定性挑战，也将是在一系列基础性挑战中释放量子效用的关键，包括清洁能源、药物发现、材料科学和先进化学。我们很高兴Earl将他在这一挑战方面的世界级专业知识带到Riverlane团队，以加快我们的努力并释放这一技术的潜力。”

2022年6月，Riverlane和混合-经典计算的先驱Rigetti合作并宣布[4]，在英国创新署的支持下，双方合作解决超导量子计算机的综合征提取问题——量子纠错的关键步骤。

具体来说，量子力学禁止直接测量进行实际计算的主要量子比特，因为这将破坏它们携带的信息；因此，纠错技术使用额外的量子比特，称为“综合征量子比特”，测量它们的状态——综合征，可以推断主要量子比特的错误发生的情况。

对于公司长久以来的量子纠错布局，Riverlane公司创始人兼首席执行官Steve Brierley说道：“有些问题是量子力学性质的，所以只能通过量子计算机来解决。因此，量子计算机提供了一个机会，使许多领域的科学从通过大量试验和错误的发现时代进步到可以模拟所有可能性的设计时代。纠错是开启这个未来的关键之一；未来，我们将进一步深耕纠错技术，渴望为整个行业解决纠错问题。”

关于Riverlane：

Riverlane成立于2016年，位于英国剑桥，是一家从剑桥大学剥离出来的量子计算软件公司。由剑桥大学应用数学高级研究员Steve Brierley博士创立：Steve在量子信息和计算方面拥有十多年的研究经验，研究量子系统理论、量子计算机架构和量子算法。

自2019年7月以来，Riverlane一直致力于全球首个量子操作系统Deltaflow.OS的开发，作为量子操作系统领域最先吃螃蟹的人，Riverlane将打破量子计算硬件和应用软件的壁垒，让量子计算的通用化发展更进一步。

参考链接：

[1]https://www.riverlane.com/press-release/riverlane-unveils-breakthrough-in-quantum-error-detection

[2]https://www.riverlane.com/press-release/riverlane-joins-7-5-million-consortium-to-build-error-corrected-quantum-processor

[3]https://www.riverlane.com/press-release/riverlane-appoints-leading-scientist-dr-earl-campbell-to-accelerate-efforts-to-solve-quantum-error-correction

[4]https://www.riverlane.com/press-release/riverlane-and-rigetti-computing-launch-partnership-to-tackle-error-correction-on-superconducting-quantum-computers

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