「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( 二 )
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 。 ”
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个量子比特大战三百回合；然而 ， 要想将数据以足够高的保真度编码到一个量子比特中（即实现量子纠错的逻辑量子比特） ， 他们或许需要征服1000个这样的比特 。
追寻量子计算机
量子计算机的追寻之路启于1994年 。 当时麻省理工学院的一位数学家Peter Shor展示了一种尚处于假想中的机器 ， 它可以快速地对一个大数进行因式分解 。 得益于量子比特的两能级系统 ， Shor算法用量子波函数来表示一个大数可能的分解方式 。 这些量子波可以同时在量子计算机所有的量子比特中波动 ， 它们相互干涉 ， 导致错误的分解形式相互抵消 ， 最终正确的形式鹤立鸡群 。 现在保护着互联网通信的密码系统正是建立在一个基本事实之上 ， 即搜索大数分解形式是常规计算机几乎不可完成的 ， 因此运行Shor算法的量子计算机可以破解这一密码系统 。 当然 ， 这只是量子计算机能做的很多事情之一 。
但是 ， Shor假设每个量子比特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 。 真实的量子比特则远没有这么稳定 。 Google、IBM和Rigetti采用的量子比特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 ， 这种比特比其他类型的量子比特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 。
操纵一个量子比特
不同于常规比特必须处于0或1 ， 量子比特可以同时处于0和1的任意组合状态 。 量子态的这种组合可以通过一个抽象的角度 ， 或者叫相位来描述 。 这样 ， 量子比特的状态就像地球仪上的一个点 ， 它的纬度表示量子比特有多少在0 ， 多少在1 ， 它的经度则表示相位 。 噪声会以两种基本的方式“冲撞” 量子比特 ， 并让这个点在球面上的位置发生改变 。 其中比特翻转对应0和1发生交换 ， 而相位翻转对应于相位变化180度 。
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图3/7来源：C 。BICKEL/SCIENCE这些噪声几乎淹没了Google量子霸权实验中的信号 。 研究人员一开始设置53个量子比特以编码所有可能的输出 ， 从0到253 。 然后在量子比特上执行一组随机选择的两比特门操作 ， 重复很多次 ， 使某些输出结果的概率高于其他结果 。 研究者说 ， 考虑到相互作用（两比特门）的复杂性 ， 超级计算机需要数千年才能计算出最终的输出模式 。 于是 ， 通过这一测量 ， 量子计算机就做了一件任何经典计算机都难以匹敌的事情 。 不过 ， 这一结果仅仅非常勉强地与噪声引起的量子比特随机翻转结果有所区分 。 “他们的演示中99%是噪声 ， 仅1%是信号” ， Kuperberg说 。
为了实现最终梦想 ， 开发者希望量子比特能够像常规计算机中的比特那样可靠 ， 正如Neven所说：“我们想要拥有一个保持相干性直到你关机为止的这么一个量子比特 。 ”
从经典纠错到量子纠错
科学家们将一个量子比特——一个“逻辑量子比特”的信息分散到很多物理比特中去的方法 ， 可以追溯到上世纪五十年代开发早期经典计算机的时代 。 早期计算机中的比特由真空管或者机械继电器（开关）组成 ， 他们有时候会毫无征兆地发生反转 。 为了克服这个问题 ， 著名数学家冯·诺伊曼（John von Neumann）开了纠错之先河 。
冯·诺伊曼的方法利用了冗余 。 假设一个计算机对每个比特做了三份拷贝 ， 那么即便其中一个翻转了 ， 多数比特仍然保持着正确值 。 计算机可以通过对这几个比特做两两比对来找到并修正错误比特 ， 这种方法被称为奇偶校验 。 比如说 ， 如果第一个和第三个比特相同 ， 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比特翻转了 ， 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比特的器件竟是如此的可靠 ， 以至于纠错还真用得不多 。
但是量子计算机不得不依赖于此 ， 至少对超导量子比特构成的量子计算机而言如此 。 （由单个离子构成的量子比特受噪声影响更小 ， 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比特原始状态的情况下将其状态复制到其他量子比特上 。 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 。 ”
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