智東西（公眾號(hào)：zhidxcom）
編譯 | 貞逸
編輯 | 云鵬
智東西7月16日消息，近日，據(jù)外媒報(bào)道，谷歌已經(jīng)證明其Sycamore量子計(jì)算機(jī)可以檢測(cè)并修復(fù)計(jì)算錯(cuò)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(gè)異常復(fù)雜的運(yùn)算，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要運(yùn)算1萬(wàn)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(guò)循環(huán)糾錯(cuò)對(duì)位或相位錯(cuò)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。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03588-y
一、量子計(jì)算機(jī)糾錯(cuò)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(cuò)誤。普通計(jì)算機(jī)能夠通過(guò)加入具有糾錯(cuò)能力的校驗(yàn)碼來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。在量子計(jì)算機(jī)中，問(wèn)題要復(fù)雜得多，因?yàn)槊總€(gè)量子比特都處于0和1的混合狀態(tài)，任何檢測(cè)它們的方式都會(huì)直接破壞數(shù)據(jù)。
理論上有一種檢測(cè)量子計(jì)算機(jī)錯(cuò)誤的方法，就是通過(guò)將多個(gè)量子比特當(dāng)做一個(gè)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(chǔ)存信息的情況下，發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤。盡管這樣的邏輯量子比特以前就已經(jīng)被創(chuàng)造出來(lái)了，但直到現(xiàn)在它們還沒(méi)有被用于糾錯(cuò)。
谷歌AI Quantum的Juian Kelly和他的同事們?cè)诠雀璧腟ycamore量子計(jì)算機(jī)上演示了這個(gè)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(gè)提高到21個(gè)時(shí)，對(duì)邏輯錯(cuò)誤的抑制實(shí)現(xiàn)了最多100倍的指數(shù)增長(zhǎng)。這種錯(cuò)誤抑制能力在50次糾錯(cuò)實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)穩(wěn)定。
他們發(fā)現(xiàn)每增加一個(gè)物理量子比特，邏輯量子比特的錯(cuò)誤率就會(huì)呈指數(shù)下降。研究小組雖然不能檢測(cè)每一個(gè)額外的量子比特，但是當(dāng)集體（collectively）測(cè)量時(shí)，仍然有足夠的信息來(lái)推斷量子計(jì)算是否發(fā)生了錯(cuò)誤。
二、成熟的量子計(jì)算機(jī)可能需要1000個(gè)量子比特
Kelly表示，能夠解決量子計(jì)算糾錯(cuò)問(wèn)題，意味著未來(lái)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(cuò)的方案，但仍然存在巨大的挑戰(zhàn)。給每個(gè)邏輯量子比特添加更多的量子比特也會(huì)帶來(lái)問(wèn)題，因?yàn)槊總€(gè)物理量子比特本身都容易出錯(cuò)。一個(gè)邏輯量子比特遇到錯(cuò)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(gè)過(guò)程中有一個(gè)盈虧平衡點(diǎn)，稱為閾值（threshold），在這個(gè)臨界點(diǎn)上，糾錯(cuò)功能捕捉到的問(wèn)題比量子比特增加帶來(lái)的問(wèn)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(gè)量子比特來(lái)制造每個(gè)邏輯量子比特，但Sycamore目前只有54個(gè)物理量子比特。
倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的Peter Knight表示，谷歌的研究正在朝著未來(lái)量子計(jì)算機(jī)所必需面對(duì)的困難邁進(jìn)。他說(shuō)：“如果我們不能做到這一點(diǎn)（量子計(jì)算糾錯(cuò)），我們就不會(huì)有一個(gè)大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)”。他對(duì)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(yǔ)：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(cuò)方法，并且錯(cuò)誤抑制能力在50輪糾錯(cuò)計(jì)算中保持穩(wěn)定。這意味著量子糾錯(cuò)可以將錯(cuò)誤率控制在一定范圍，為將來(lái)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(shì)，這在大數(shù)據(jù)時(shí)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(cè)都將占據(jù)主動(dòng)優(yōu)勢(shì)。成熟的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)，很有可能會(huì)改變互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
來(lái)源：Nature
