量子计算面临的最大挑战

2019年10月，谷歌研究人员大张旗鼓地宣布他们的胚胎量子计算机已经解决了一个让最佳超级计算机不堪重负的问题。有人说，这一里程碑被称为量子至上，标志着量子计算时代的到来。但是，加州大学戴维斯分校的数学家格雷格·库珀伯格（Greg Kuperberg）并不擅长量子计算，他对此印象深刻。他曾期望Google的目标不那么浮华，但是，他说更为重要。

无论是计算税金还是让马里奥跳峡谷，您的计算机都可以通过操纵可设置为0或1的长比特串来发挥其魔力。相比之下，量子计算机使用可以同时为0的量子比特或量子比特。和1个同时出现，相当于您一次坐在沙发的两端。这种双向状态体现在离子，光子或微小的超导电路中，从而为量子计算机提供了强大的功能。但是它们也很脆弱，与周围环境的最轻微互动都会使它们变形。因此，科学家必须学会纠正此类错误，而Kuperberg曾期望Google为实现这一目标迈出关键的一步。他说：“我认为这是一个更相关的基准。”

如果某些专家质疑Google量子至上实验的重要性，那么所有人都会强调量子误差校正的重要性。Rigetti Computing的物理学家和联合创始人查德·里格蒂（Chad Rigetti）说：“这实际上是价值1亿美元，10,000量子比特的量子计算机是随机噪声发生器还是世界上功能最强大的计算机之间的区别。” 所有人都同意Kuperberg的第一步：将通常以单个抖动量子比特编码的信息传播到其中的许多抖动信号中，从而即使噪声使底层量子比特嘎嘎作响，也能保持信息的状态。德克萨斯大学奥斯汀分校的计算机科学家Scott Aaronson解释说：“您正在尝试建造一艘仍然是同一艘船的船，即使其中的每个木板都在腐烂并且必须更换。”

量子计算的早期领导者-Google，Rigetti和IBM-都已经针对该目标进行了培训。“这无疑是下一个重要的里程碑，”负责Google量子人工智能实验室的Hartmut Neven说。领导IBM量子计算工作的Jay Gambetta说：“在接下来的几年中，您将看到一系列来自我们的错误校正结果。”

物理学家已经开始在小型实验中测试其理论方案，但是挑战是巨大的。为了证明量子至上，谷歌科学家不得不纠缠了53个量子比特。为了以足够的保真度在单个qubit中编码数据，他们可能需要掌握1000个数据。

对量子计算机的追求始于1994年，当时麻省理工学院的数学家彼得·索尔（Peter Shor）表明，这样的机器（当时是假想的）应该能够快速分解大量的因子。索尔（Shor）的算法代表了量子的可能因式分解，这是由于量子位的双向状态而可以同时晃动计算机量子位的量子波。波浪相互干扰，因此错误的因式分解会相互抵消，而正确的因式分解就会弹出。运行Shor算法的机器可能会破解目前保护互联网通信安全的加密系统，这依赖于以下事实：搜索大量因素会淹没任何普通计算机。

但是，索尔假设每个量子位将保持其状态，因此量子波可以在必要时晃动。实际的量子位远不稳定。Google，IBM和Rigetti使用的量子位由蚀刻到微芯片中的超导金属的微小谐振电路制成，到目前为止，与其他类型的量子位相比，这些量子位已被证明更易于控制和集成到电路中。每个电路都有两个不同的能量状态，分别表示0或1。通过用微波插入一个电路，研究人员可以将其简化为任意一种状态或两者的任意组合，例如30％0和70％1。状态之间的差异会在不到一秒钟的时间内引起模糊或“衰减”。甚至在这种情况发生之前，噪声就可能搅乱状态并改变状态，从而有可能破坏计算。

映射一个量子位

普通位必须为0或1，而qubit可以同时为0和1的任意组合。状态的那两个部分以抽象角度或相位描述的方式啮合。因此，量子位的状态就像地球上的一个点，它的纬度揭示了多少量子位为0，多少为1，其经度表示相位。噪声可以通过两种基本的方法来搅动量子位，这会破坏全球的点。

在Google的量子至上性实验中，此类噪声几乎淹没了信号。研究人员从设置53个量子位开始，对所有可能的输出进行编码，范围从0到2 ⁵³。他们在量子位之间实施了一组随机选择的交互作用，在反复试验中使某些输出比其他输出更有可能。研究人员说，鉴于交互的复杂性，一台超级计算机将需要数千年的时间才能计算出输出模式。因此，通过测量它，量子计算机所做的事情是普通计算机无法比拟的。但是这种模式与由噪声引起的量子比特的随机翻转几乎没有区别。“他们的演示是99％的噪声，只有1％的信号，” Kuperberg说。

为了实现自己的终极梦想，开发人员需要与普通计算机中的比特一样可靠的量子比特。Neven说：“您想要一个保持一致的qubit，直到关闭机器为止。”

科学家在许多物理信息中传播一个量子位（“逻辑量子位”）信息的方法可追溯到1950年代普通计算机的早期。早期计算机的部件由真空管或机械继电器组成，它们易于意外翻转。为了克服这个问题，著名的数学家约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann）开创了纠错领域。

冯·诺依曼（Von Neumann）的方法依靠冗余。假设计算机每位复制三份。然后，即使三个翻转之一，大多数位都将保留正确的设置。在所谓的奇偶校验中，计算机可以通过比较成对的位来查找并修复翻转的位。如果第一位和第三位匹配，但是第一位和第二位以及第二和第三位不同，则很有可能第二位翻转了，计算机可以将其翻转回去。更大的冗余意味着更强的纠正错误的能力。具有讽刺意味的是，蚀刻到微芯片中的晶体管被​​现代计算机用来对其位进行编码，是如此可靠，以至于纠错的使用率不高。

但是量子计算机将依赖于它，至少它是由超导量子位构成的。（由单个离子组成的量子位受噪声的影响较小，但更难以集成。）不幸的是，对于开发人员而言，量子力学本身剥夺了他们最简单的纠错工具（复制），从而使他们的工作更加艰巨。在量子力学中，一个无克隆定理说，如果不改变第一个量子位的状态，就不可能将一个量子位的状态复制到另一个量子位。谢菲尔德大学的理论家约施卡·罗夫（Joschka Roffe）说：“这意味着不可能将我们的经典纠错码直接转换为量子纠错码。”

一个简单的解决方法

 

在常规计算机中，位是可以设置为0或1的开关。为了保护位，计算机可以复制它。如果噪声随后使复印件翻转，则机器可以通过进行奇偶校验测量来发现错误：比较成对的位以查看它们是相同还是不同。

更糟糕的是，量子力学要求研究人员发现被蒙住双眼的错误。尽管量子位可以同时具有0和1的状态，但是根据量子理论，实验人员无法在不将其分解为0或1的情况下测量该双向状态。检查状态会消除它。Kuperberg说：“最简单的[经典错误]纠正是，您查看所有内容以查看发生了什么问题。” “但是，如果是量子位，那么您必须查找错误而无需查找。”

这些障碍听起来似乎是无法克服的，但是量子力学指出了潜在的解决方案。研究人员无法复制量子位的状态，但是他们可以使用一种称为纠缠的神秘量子连接将其扩展到其他量子位。

纠缠如何完成，说明量子计算是多么的微妙。在微波的作用下，原始量子比特与另一个必须通过“非受控”（CNOT）操作以0状态开始的量子比特进行交互。如果第一个量子位的状态为1，CNOT将更改第二个量子位的状态，如果第一个量子位为0，则CNOT保持不变。但是，该操作实际上并没有测量第一个量子位并使它的状态折叠。取而代之的是，它在更改和不更改第二个量子位的同时，保持第一个量子位的双向状态。它将两个量子位保持为同时为0和1的状态。

例如，如果原始量子位处于30％0和70％1状态，则物理学家可以将其链接到其他量子位，以形成由三个纠缠态组成的链，例如，三个量子位共享30％的纠缠态，并且0全部三个的70％是1。该状态不同于原始qubit的三个副本。实际上，字符串中的三个纠缠量子比特都不具有自己定义的量子态。但是现在，这三个量子位是完全相关的：如果测量第一个量子位并且它崩溃为1，那么其他两个量子位也必须立即崩溃为1。如果第一个量子位崩溃为0，其他量子位也必须也崩溃。这种关联是纠缠的本质。

在更大的纠缠状态下，科学家现在可以留意错误。为此，它们将其他“辅助”量子比特与三个链纠缠在一起，一个在字符串中包含第一和第二量子比特，另一个与第二和第三量子比特纠缠在一起。然后，他们使用对小导管的测量来使量子力学等同于奇偶校验。例如，在不破坏纠缠的情况下，噪声可以翻转三个编码量子位中的任何一个，从而使其0和1部分得到切换，从而改变了这三个编码位之间的潜在相关性。如果研究人员设置正确，他们可以对辅助量子位进行“稳定器”测量以探究这些相关性。

尽管测量辅助量子位使它们的状态崩溃，但它使编码量子位不受干扰。Roffe说：“这些是经过特殊设计的奇偶校验度量，它不会折叠以逻辑状态编码的信息。” 例如，如果测量结果显示第一辅助子集为0，则仅表明第一和第二编码qubit必须处于相同状态，而不是第二状态。如果ancilla为1，则测量仅显示出编码qubit必须处于相反状态。如果研究人员能够更快地发现一个翻转的量子比特，而不是它们趋于模糊，那么他们可以使用微波将其翻转回原始状态并恢复其一致性。

量子修复更难

量子力学的规则使得不可能通过复制和测量量子位来观察错误（顶部）。相反，物理学家希望通过“纠缠”（中间）将量子位的状态扩展到其他量子位，并监视它们以检测错误。然后将错误的位推回正确的状态（底部）。

那只是基本想法。量子位的状态比0和1的组合要复杂得多。它还取决于这两个部分的确切啮合​​方式，而后者又取决于称为相位的抽象角度。该相位的范围可以从0°到360°，并且是赋予量子计算机强大功能的波状干涉效应的关键。从机械角度讲，量子位状态中的任何误差都可以看作是交换0和1的位翻转误差和将相位改变180°的相翻转的某种组合。

为了纠正这两种类型，研究人员可以从字面上扩展到另一个维度。一串由三个纠缠的量子位组成的字符串，它们之间编织着两个小针，是可以检测和纠正位翻转错误的最小阵列，而最简单的阵列是一个三乘三的量子位网格，其中有八个散布的小针。可以检测并纠正位翻转和相位翻转错误。现在，逻辑量子位处于九个量子位的纠缠状态中-值得庆幸的是，您不必用数学方法将其写出来！沿网格一维的稳定器测量值会检查位翻转误差，而沿另一维的稳定器测量值会稍稍检查相位翻转错误。

推入二维的方案会有所不同，具体取决于量子位的几何排列和稳定器测量的细节。尽管如此，研究人员通往纠错的道路现在很清晰：在物理量子位的网格中对单个逻辑量子位进行编码，并表明随着网格尺寸的增加，逻辑量子位的保真度会变好。

实验人员已经开始。例如，在6月8日发表的《  自然物理学》 研究中，苏黎世联邦理工学院的安德烈亚斯·沃拉夫及其同事证明，他们可以检测到但不能纠正以四个量子位和三个辅助量子位的正方形编码的逻辑量子位中的错误。

但是实验者面临着艰巨的挑战。IBM的物理学家Maika Takita说，操纵单个量子位会引入错误，除非错误率降至一定水平以下，否则将更多量子位与原始量子位纠缠只会给系统带来更多噪音。她说：“要证明任何事情，您都必须低于该阈值。” 辅助量子比特和其他纠错机制会增加更多的噪声，一旦包括这些影响，必要的错误阈值将进一步下降。为了使该方案奏效，物理学家必须将其错误率降低到小于1％。Takita说：“当我听到我们达到3％的错误率时，我认为那很棒。” “现在，它需要降低很多。”

纠错还需要反复使用qubits。谷歌物理学家玛丽莎·朱斯蒂娜（Marissa Giustina）说，这使该过程比仅测量一次所有量子位的量子至上要苛刻得多。她说：“纠错“要求您以一个周期来一遍又一遍地进行测量和测量，并且必须快速而可靠地完成。”

尽管少数量子位足以说明量子误差校正的原理，但实际上，物理学家将不得不控制大量量子位。为使Shor算法运行得足够好，可以分解1000位长的数字（大约是某些Internet加密方案中使用的大小），它们将需要维护逻辑量子位，且误码率为10亿分之几。研究人员说，这可能需要纠缠1000个物理量子位的网格以保护单个逻辑量子位，这种前景将需要几代更大，更好的量子计算芯片。

具有讽刺意味的是，克服这一挑战将使开发人员回到20年前的状态，那时他们正打算使成对的物理qubit交互以执行计算所需的各种逻辑运算或“门”。一旦科学家开始精通纠错，他们将不得不用更健壮但高度复杂的逻辑量子位重复迄今为止量子计算中的几乎所有进展。人们说纠错是量子计算的下一步；这是接下来的25个步骤，”朱斯蒂娜打趣道。

追溯这些步骤并不容易。不仅当前涉及两个量子位的任何逻辑门都将需要成千上万个。更糟糕的是，量子力学的另一个定理指出，无论研究人员采用哪种方案，并非所有逻辑门都可以轻松地从单个物理量子位转换为扩散逻辑位。

研究人员认为，如果他们可以将计算机中的所有量子位初始化为特定的“魔术状态”，而这些魔术状态或多或少地完成了有问题的门工作的一半，那么他们可以避免该问题。不幸的是，可能还需要更多的量子位来产生那些魔术状态。“如果您想执行类似Shor的算法，则可能必须将90％的量子比特专用于准备这些魔术状态，” Roffe说。因此，具有1000个逻辑量子位的成熟量子计算机可能最终包含数百万个物理量子位。

Google计划在10年内制造出这种机器。乍一看，这听起来很荒谬。需要在一个称为低温恒温器的装置中将超导量子位冷却至接近绝对零，该装置可填充一个小房间。一百万个量子比特的机器可以让人联想到巨大工厂中一千个低温恒温器的景象。但是Google研究人员认为他们可以使设备保持紧凑。内文说：“我不想伸手，但我们相信我们已经弄清楚了。”

其他人则采取不同的方针。Google的方案将需要1000个物理量子位来编码单个逻辑量子位，因为其芯片仅允许相邻的量子位进行交互。甘贝塔说，如果也可以进行更远距离的量子位相互作用，那么物理量子位的数量可能会少得多。他说：“如果我能做到这一点，那么这些用于错误纠正开销的荒谬的可怕数字就会崩溃。” 因此，IBM研究人员正在探索一种在量子位之间具有更远距离互连的方案。

没有人愿意预测研究人员掌握纠错所需的时间。里格蒂说，但是现在该是认真解决问题的时候了。他说：“到目前为止，几乎所有将自己识别为纠错研究人员的研究人员都是理论家。” “我们必须通过对真实机器生成的真实数据的真实反馈，使其成为一个经验领域。” 量子霸权在2019年是如此。在量子计算中，纠错是下一个热点。