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  • 是一个理想的、抽象的概念

    温和校正

    折回到这些研发步骤上去不容易。不止是现在需要两个量子beplay体育网页来实现的逻辑门将来需要数千个这么简单,更糟糕的是,另一个量子力学定理告诉我们,不管研究人员用什么样的方案,不是所有的逻辑门都可以很容易地从单个物理beplay体育网页转换到由分散的大量物理beplay体育网页组成的逻辑beplay体育网页上去的。

    2019年10月,Google的研究人员高调地对外发布了其量子计算原型机,并以压倒性优势解决了一个目前最好的超级计算机难以解决的问题。很多人认为这是一个里程碑,即所谓“量子霸权”,它标志着量子计算时代黎明的到来。对这件事,一位来自加州大学戴维斯分校的数学家Greg Kuperberg,却颇不以为然。他是一位量子计算的专家,按照他的说法,Google本应该将目标设定在一件尽管不那么耀眼,但却远为重要的事情上。

    物理beplay体育网页:即物理上客观存在的一个量子beplay体育网页,比如一个由超导量子电路组成的量子beplay体育网页,或者一个光子。

    量子纠错如何实现?

    但是实验物理学家面临的挑战令人生畏。“操控各个独立的量子beplay体育网页都会引入一定的错误,除非这个错误能够低于某个特定的阈值,否则将初始beplay体育网页与更多的beplay体育网页纠缠只会增加更多的噪声”,IBM的一位物理学家Maika Takita说,“在演示任何事情之前你必须先设法做到那个阈值以下。”辅助beplay体育网页以及其他纠错装置会引入更多的噪声,一旦计入这些效应,要求的错误阈值将进一步大幅下降。想要让上述的纠错方案可行,物理学家必须将他们的错误率降到1%以下。Takita说:“当我听到我们达到了3%的错误率时,我觉得那太棒了。现在,我知道它(错误率)还需要大幅降低。”

    冯·诺伊曼的方法利用了冗余。假设一个计算机对每个beplay体育网页做了三份拷贝,那么即便其中一个翻转了,多数beplay体育网页仍然保持着正确值。计算机可以通过对这几个beplay体育网页做两两比对来找到并修正错误beplay体育网页,这种方法被称为奇偶校验。比如说,如果第一个和第三个beplay体育网页相同,但第一个和第二个、第二个和第三个都不同,那么最有可能第二个beplay体育网页翻转了,于是计算机就把它再翻回来。更大的冗余意味着更大的纠错能力。有意思的是,刻在微芯片上的晶体管,也就是现代计算机用来编码其beplay体育网页的器件竟是如此的可靠,以至于纠错还真用得不多。

    在这样一个更大的纠缠态中,科学家们现在就可以留心错误的发生了。为了做到这点,他们继续将更多的“辅助”量子beplay体育网页与这个三beplay体育网页链纠缠起来,一个与第一、第二beplay体育网页纠缠,另一个则与第二和第三beplay体育网页纠缠。之后再对辅助量子beplay体育网页进行测量,就像经典beplay体育网页中的奇偶校验那样。比如说,噪声可能将原先的三个编码beplay体育网页中的一个翻转了,于是它的0和1部分调换了,改变了它们之间潜在的关联性。如果研究者把事情做好,他们可以在辅助量子beplay体育网页上做“稳定器”测量以探测这些关联。

    当专家们质疑Google的量子霸权实验的重要性时,他们都会强调量子纠错的重要性。Chad Rigetti是一位物理学家,同时也是Rigetti公司的联合创始人,他说:“这差别真的非常大,就像你花了一亿美元,是建了一台10000个量子beplay体育网页组成的随机噪声发生器,还是一台世界上威力最大的计算机。”在这关键的第一步上,大家都同意Kuperberg的观点:将通常编码在躁动不安的单一量子beplay体育网页上的信息,以某种形式分散到一群量子beplay体育网页里去,从而能够在噪声纷扰下依然保持信息的完整性。德州大学奥斯汀分校的计算机科学家Scott Aaronson解释说:“你要建的船还是那艘船,尽管上面的每块木板都已朽烂,到了必须要更换的地步。”

    量子计算的早期领头羊——Google、Rigetti和IBM——都已经将视角转到了这一目标上。Google量子人工智能实验室的负责人Hartmut Neven说道:“这(量子纠错)非常确定是下一个重要的里程碑”。而IBM量子计算事业的领导人Jay Gambetta则说:“接下来几年内,你们会看到我们在解决量子纠错问题上的一系列成果。”

    追寻量子计算机

    更糟糕的是,量子力学还要求研究者蒙眼找错误。尽管量子beplay体育网页可以处在0和1的叠加态上,但根据量子力学,实验者不可能在不引起塌缩的情况下测量这一叠加态,测量总导致量子态向0或1中的某个状态塌缩:测量一个态就会消灭一个态!Kuperberg说:“最简单的纠错方法(经典纠错)就是把所有beplay体育网页检查一遍,看看哪里出错了。但如果是量子beplay体育网页,你就必须在不看它的情况下找出错误来。”

    要修正这两种错误,研究人员可以将上述的纠错方案扩展到另一个维度。既然一个三纠缠的beplay体育网页串,加上两个辅助beplay体育网页交织其间,是探测和纠正一个beplay体育网页翻转错误的最小结构,那么一个3×3的量子beplay体育网页网格,加上8个分布其中的辅助beplay体育网页,就是可以同时探测和修正beplay体育网页翻转和相位翻转错误的最小结构。现在逻辑beplay体育网页就存在于这样一个9beplay体育网页的纠缠态中——谢天谢地你不用写出它的数学公式来!在这样一个网格上的其中一个维度上进行稳定器测量可以检测beplay体育网页翻转错误,而在另一个维度上进行略微变化的稳定器测量则检测相位翻转错误。

    尽管测量辅助量子beplay体育网页导致了它们状态的塌缩,但并没有对编码beplay体育网页造成影响。“这是经过特别设计的奇偶校验测量,它不会导致编码在逻辑态中的信息塌缩”,Roffe说。举例来说,假如第一个辅助beplay体育网页的测量结果为0,它只说明了第一和第二编码beplay体育网页的状态一定相同,但并没告诉我们它们到底处在哪个态,而如果辅助beplay体育网页测量结果为1,则表明编码beplay体育网页肯定处于相反的态,仅此而已。如果能在量子beplay体育网页态趋于弥散之前迅速找到发生翻转的beplay体育网页,那就可以用微波将它再翻回原来的态并恢复其相干性。

    量子纠错:比量子霸权远为重要的事情

    但是量子计算机不得不依赖于此,至少对超导量子beplay体育网页构成的量子计算机而言如此。(由单个离子构成的量子beplay体育网页受噪声影响更小,但更难集成。)量子力学原理本身又让这一工作变得更为艰难,因为它剥夺了最简单的纠错工具——复制。在量子力学中,不可克隆定理告诉我们,不可能在不改变量子beplay体育网页原始状态的情况下将其状态复制到其他量子beplay体育网页上。谢菲尔德大学的一位理论物理学家Joschka Roffe说:“这就意味着我们不可能直接将经典的纠错码转换成量子纠错码。”

    但是,Shor假设每个量子beplay体育网页都能够完好地保持其状态,这样量子波只要有必要就可以左右荡漾。真实的量子beplay体育网页则远没有这么稳定。Google、IBM和Rigetti采用的量子beplay体育网页都由超导金属刻蚀而成的微纳谐振电路构成。目前已经证明,这种beplay体育网页比其他类型的量子beplay体育网页更易于操控和电路集成。每个电路有两个确定的能态,我们可以分别记为0和1。通过在这个电路上施加微波,研究者就能使它处于其中一个状态,或者两个状态的任意组合——比如说30%的0和70%的1。但是,这些“中间态”会在极短的时间内弥散,或者说“退相干”。甚至在退相干发生之前,噪声就可能会“冲撞”并改变这些量子态,让计算结果“出轨”,朝不想要的方向演化。

    量子纠错还要求反复地测量量子beplay体育网页态,这让整个过程的技术要求更强于量子霸权。Google的一位物理学家Marissa Giustina说,在量子霸权中,所有量子beplay体育网页只需要测量一次,而量子纠错“要求你在一个周期内反复地测呀测呀测呀,而且还要做得又快又准确”。

    尽管有那么几个量子beplay体育网页就足以演示量子纠错的原理,但要建造实用量子计算机,物理学家必须能够控制大量的量子beplay体育网页。要想运行Shor算法并足以进行大数分解,比如说分解1000位的一个数——这大致上是目前互联网beplay app ios方案中常用的大小——需要保持逻辑量子beplay体育网页的错误率低于十亿分之一。这可能需要上千个量子beplay体育网页组成的网格来守护一个逻辑量子beplay体育网页。研究人员说,要想达到这个预期,将需要经过好几代开发来制备出更大、更好的量子芯片。

    辅助beplay体育网页:用于对编码beplay体育网页进行奇偶校验测量的那些beplay体育网页,它们不包含信息,只用于对数据beplay体育网页进行“稳定器”测量,这种测量当两个编码beplay体育网页的状态相同时给出0,而当两个编码beplay体育网页状态不同时给出1。稳定器测量只给出两个beplay体育网页状态到底相同还是不同,并没有获得任何编码beplay体育网页中存储的信息,比如0和1的组成比例。

    量子力学原理使得直接通过复制并测量量子beplay体育网页(上)并检测错误不可行。物理学家想到的替代办法是将量子beplay体育网页的态通过纠缠(中)分散到其他量子beplay体育网页中去,然后监测这些量子beplay体育网页来探测错误,发现错误后再通过操控让错误beplay体育网页回到正确的态(下)。

    这只是最基本的概念。一个量子beplay体育网页态要比只是0和1的组合更为复杂。它同时还取决于这两部分是如何交织的,换句话说,它还依赖于一个抽象的角度,也就是相位。这个相位角度可以从0°到360°之间变化,它是波动干涉效应的关键,而正是这种量子干涉赋予了量子计算机超强的能力。原理上,任何量子beplay体育网页态的错误可以被认为是beplay体育网页翻转和相位翻转的某种组合,beplay体育网页翻转对应0和1发生交换,而相位翻转对应于相位变化180度。

    从经典纠错到量子纠错

    量子霸权定格在了2019,而量子纠错将是下一个热点。

    关键词

    越大越好

    物理学家们已经开始在小规模实验他们的量子纠错方案了,但是面临的挑战仍极艰巨。为了演示量子霸权,Google的科学家已经与53个量子beplay体育网页大战三百回合;然而,要想将数据以足够高的保真度编码到一个量子beplay体育网页中(即实现量子纠错的逻辑量子beplay体育网页),他们或许需要征服1000个这样的beplay体育网页。

    将量子beplay体育网页态放到一个二维网格中进行纠错的方案会随着量子beplay体育网页的几何排布及稳定器测量的细节而改变,但研究人员进行量子纠错的路线已经清晰了:将单个逻辑量子beplay体育网页编码到一个物理beplay体育网页组成的网格阵列中,并展示逻辑beplay体育网页的保真度随着阵列的尺度增加而增加。

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