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「新浪科技综合」量子计算的下一个超级大挑战新浪科技综合2020-08-07 14:57:200阅

来源：返朴
撰文：Adrian Cho
翻译：无邪（量子计算领域从业人员）
译者按
Science的这篇科普稿发表于一个月前 ， 事实上国内媒体早已经将其翻译过来介绍给国内的同行和爱好者 。 我一时兴起决定再译一遍 ， 一方面是希望加深一下自己的印象 ， 另一方面也希望将某些略显晦涩的地方讲的更清晰一些 。 不过译完之后 ， 我感觉大概我的第二个希望会落空 。 量子纠错基于量子纠缠 ， 而纠缠的确是一个极难讲清的概念 ， 稍有不慎往往让读者更为迷惑 ， 抑或浮想翩翩 ， 这都是量子方面的科普人所不愿见的 。
我们的确生活在一个伟大的时代 ， 前人穷尽思虑也想不到的事物 ， 如今像泉涌般喷薄而出 。 量子计算显然是其中之一 。 Peter Shor设计他的量子算法时 ， 恐怕只是作为一个数学玩具而已 ， 如今却眼看要在我辈有生之年内成为现实 。 就在去年 ， Google发布了轰动一时的“Sycamore”芯片并演示了“量子霸权” ， 为量子计算发展史留下浓重一笔 ， 一时间褒贬齐飞 ， 这个事件甚至让我有幸登上一次直播台 ， 真真是件极有意思的事情 。 本文对于“量子霸权”这件事 ， 感觉是有点“颇不以为然”的 。 倒不是说量子霸权这个实验演示本身有何问题 ， 或者重要性不够 ， 而是相比本文围绕的量子纠错这一挑战而言 ， 有点不足为道 。 然而量子纠错这个词汇 ， 却远不如量子霸权来得霸道 ， 有冲击力 ， 所以作者耐心地讲解了开发切实的量子纠错方案有多难 ， 其用心可谓良苦 。
几个月前我还译了《福布斯》杂志对Google量子技术核心人物Martinis的专访 ， 有一个地方我印象很深：Martinis教授对他解决了量子芯片设计中的连线问题感到很自豪 ， 但另一位理论物理学家也提出了一个连线方案 ， Martinis凭实验者的视角认为不可行 ， 但Google却最终支持了那个方案 ， 令他大为失望 。 我当时内心苦笑道：“连线问题的重要性 ， 似乎只有真正做的人才有所体会 。 但“解决了连线问题”的话题性与“量子霸权”相比不啻霄壤 。
联系到这里 ， 量子纠错的话题性同样远不如“量子霸权” ， 但对于实用化量子计算而言 ， 量子纠错的重要性比之量子霸权确实如泰山之于土丘 。 我们确实有必要向关注量子计算的人们传递这一概念 ， 加深这一概念 ， 以免哪天科学家们克尽艰难征服了量子纠错 ， 对外界发出呐喊的时候 ， 吃瓜群众却个个摆出萌懵脸 。 当然 ， 我更希望科技战略制定者能体会到其重要性 ， 能够准确把握国内量子计算推进的方向 ， 使我国量子计算事业立于世界之巅 ， 为国家、为人类做出不世之贡献！
「新浪科技综合」量子计算的下一个超级大挑战新浪科技综合2020-08-07 14:57:200阅
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图1/72019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 。
量子纠错：比量子霸权远为重要的事情
不管是计算你该交多少税 ， 还是玩超级马里奥 ， 我们的计算机总是在长长的0、1比特串上施展魔法 。 而量子计算却是在量子比特 ， 或者叫qubit上展示魔力 。 量子比特可以同时处于0和1 ， 就像你同时坐在长沙发的两头那样 。 它们可以在离子、光子或者微小的超导电路中实现 ， 这种两能级系统赋予了量子计算超强的能力 。 不过 ， 量子比特同时也是很脆弱的 ， 与周围环境发生哪怕极微弱的相互作用也会导致它们发生改变 。 所以 ， 科学家们必须学会如何去纠正这些错误 ， 而这正是Kuperberg寄望于Google之所在——Google应该朝这一目标迈出关键一步 。 “这是一个更有意义的基准” ， 他这样说道 。
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个量子比特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比特上的信息 ， 以某种形式分散到一群量子比特里去 ， 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 。 ”
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图2/7如果一艘船的木板随着时间流逝逐渐腐烂并被替换 ， 直到所有的部件都不是最开始的那些 ， 它依旧是原来的船吗？这是一个古老的思想实验 ， 被称为“特修斯之船” ， 哲学家们对此有着不同的答案 。 量子纠错的机制与此类似 ， 一个逻辑量子比特的信息分散在众多物理量子比特中 ， 不过问题的答案却是肯定的 ， 即使物理量子比特受到扰动 ， 逻辑比特中的信息完整性仍得以保持 。


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