谷歌“阻止”量子比特出错，向容错量子计算机迈出重要一步

    谷歌的研究人员已经证明，在某些条件下，谷歌Sycamore量子处理器可以实现纠错技术，该技术甚至可以呈指数级扩展，这一发现向容错量子计算机迈出了重要一步[1]。

    这一突破可能会引起从事量子纠错工作的科学家的注意，这一领域关注的不是量子比特的数量，而是量子比特的质量。

    虽然增加量子计算机支持的量子比特数量经常被认为是解锁量子技术前所未有的计算能力的关键因素，但同样重要的是确保这些量子比特的行为方式能够获得可靠的、无错误的结果。 

    这个想法支撑了容错量子计算机的概念，但量子纠错仍处于非常早期的发展阶段。目前，科学家们仍在努力控制和操纵为数不多的量子比特，粒子的极端不稳定，意味着量子计算仍然充满了错误。

    据谷歌称，量子计算想要为大多数应用场景赋能，要求其错误率低至10的负15次方。相比之下，目前最先进的量子平台的平均错误率接近10的负三次方。

图1｜Sycamore量子处理器上的稳定器线路 (来源：谷歌)

    一种解决方案包括提高量子比特的物理稳定性，但科学家们正在优先考量另一种变通方案，即在量子处理器中直接检测并纠正错误。 

    通常情况下，这是通过将量子数据信息分布在许多不同的量子比特上，并使用额外的量子比特来跟踪这些信息，在此过程中识别并纠正错误。总的来说，经过纠错的量子比特组形成一个被称为“逻辑量子比特”的集群。

    这种方法被称为稳定器代码，本质上是将数据量子比特与测量量子比特进行交错，将数据量子比特中出现的不需要的扰动转化为错误，然后通过特定的软件进行补偿。

    谷歌表示，虽然稳定器代码的原理已经在理论上应用于不同的平台，但目前没有证据表明，该方法能够在大型系统中扩展，或是能够经得起连续几轮的纠错。

    逻辑错误概率与检测轮数和相位数的关系，相位翻转代码。如插图所示，较小的代码尺寸是从21比特代码中抽取的子样本；小点是子样本的数据，大点是平均数。

图2｜对错误检测的分析 (来源：谷歌)

    谷歌研究团队用Sycamore量子处理器测试稳定器代码，从一个由5个量子比特组成的逻辑量子比特群开始，以一维链的方式连接。这些量子比特交替充当数据量子比特和负责检测错误的测量量子比特[2]。

    研究人员发现，增加集群的大小可以指数级地减少误差。该团队用不同大小的逻辑量子比特测试了这种方法，达到了21个量子比特的最大集群，发现与仅由5个量子比特组成的集群相比，逻辑错误减少了100倍以上。换句话说，逻辑量子比特越大，纠正错误的效果就越好。

    这一点很重要，因为实用量子计算机的每个逻辑量子比特至少需要1000个纠错量子比特。因此，证明纠错方法可以扩展，是开发实用量子计算机的基础。

    谷歌还发现，即使经过50轮纠错，错误抑制率仍然保持稳定。该公司表示，这是量子纠错可行性的“关键发现”。

    当然，该实验仍有巨大的局限性。目前的量子计算机仅可以支持不到100个量子比特，这意味着不可能用实际应用所需的1000个量子比特来测试该方法。

图3｜重复代码中的逻辑错误 (来源：谷歌)

    而且，即使21个量子比特足以创造一个有用的逻辑量子比特，谷歌的处理器也只能支持其中的两个逻辑量子比特，这还远远不够用于实际应用。因此，谷歌的成果目前仍是一个概念验证。

    此外，科学家们强调，量子比特固有的高错误率可能会成为问题。在该团队的实验中，11%的检测最终发现了一个错误。这意味着纠错技术必须极其有效，才能在拥有数千倍量子比特的设备中检测并纠正每一个错误。

    研究人员表示，实验成果为用超导量子比特建立一个可扩展的容错量子计算机奠定了基础。尽管如此，在量子纠错技术的发展道路上仍然存在许多挑战。

    尽管这些想法并不新鲜，但实施起来仍有困难，且有效性也未得到验证。但现在谷歌已经在其52量子比特的Sycamore量子处理器上演示了这种方法，并表明应当扩展其规模以帮助建立未来的容错量子计算机。

封面：

Science

引用：

[1]https://www.zdnet.com/article/quantum-computing-google-researchers-think-they-can-now-stop-qubits-going-wrong/?ftag=COS-05-10aaa0g&taid=60f794bdc5720500017c41d4&utm_campaign=trueAnthem%3A+Trending+Content&utm_medium=trueAnthem&utm_source=twitter

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03588-y

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