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技术编程|量子计算的下一个超级大挑战 | 返朴( 三 )



技术编程|量子计算的下一个超级大挑战 | 返朴
本文插图

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 。 ”
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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 。 ”
简单的纠错
在传统计算机中 ， 一个比特就是一个可以被设置为0或1的开关 。 为了保护一个比特 ， 计算机可以将它复制到其他比特上 。 如果噪声引起某个拷贝发生了翻转 ， 通过做奇偶校验 ， 计算机就能定位到错误：将一对比特进行对比 ， 看它们状态相同还是不同 。

技术编程|量子计算的下一个超级大挑战 | 返朴
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来源：C. BICKEL/SCIENCE
更糟糕的是 ， 量子力学还要求研究者蒙眼找错误 。 尽管量子比特可以处在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）就是把所有比特检查一遍 ， 看看哪里出错了 。 但如果是量子比特 ， 你就必须在不看它的情况下找出错误来 。 ”
这些障碍可能听起来难以逾越 ， 但量子力学又指出了可能的解决方案 。 研究者虽然不能复制一个量子比特的态 ， 但他们可以将其扩展到其他比特上去 ， 利用一种难以理解的量子关联——量子纠缠 。


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