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技术编程|量子计算的下一个超级大挑战 | 返朴( 二 )


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 。 ”

技术编程|量子计算的下一个超级大挑战 | 返朴
本文插图

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 。
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 。
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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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