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技术编程|量子计算的下一个超级大挑战 | 返朴( 五 )


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 。 既然一个三纠缠的比特串 ， 加上两个辅助比特交织其间 ， 是探测和纠正一个比特翻转错误的最小结构 ， 那么一个3x3的量子比特网格 ， 加上8个分布其中的辅助比特 ， 就是可以同时探测和修正比特翻转和相位翻转错误的最小结构 。 现在逻辑比特就存在于这样一个9比特的纠缠态中——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比特翻转错误 ， 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 。
将量子比特态放到一个二维网格中进行纠错的方案会随着量子比特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：将单个逻辑量子比特编码到一个物理比特组成的网格阵列中 ， 并展示逻辑比特的保真度随着阵列的尺度增加而增加 。
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实验物理学家的挑战
实验物理学家已经起了个头 。 举例来说 ， 6月8号发表的一篇《自然·物理》论文中的研究结果中 ， 苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的Andreas Wallraff教授及其合作者演示了 ， 他们可以通过三个辅助比特来探测——但不纠正——一个4比特正方网格编码的逻辑量子比特中的错误 。
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比特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 ， 否则将初始比特与更多的比特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 。 ”辅助比特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 。 ”
量子纠错还要求反复地测量量子比特态 ， 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 ， 所有量子比特只需要测量一次 ， 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比特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比特 。 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加密方案中常用的大小——需要保持逻辑量子比特的错误率低于十亿分之一 。 这可能需要上千个量子比特组成的网格来守护一个逻辑量子比特 。 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 。
颇为讽刺的是 ， 一旦完成这一挑战 ， 研究者将一夜回到解放前 。 20年前 ， 他们集中于研究如何让物理量子比特耦合起来 ， 以实现各种计算所需的逻辑操作 ， 也就是“量子逻辑门” 。 当科学家掌握了怎么做量子纠错之后 ， 他们又必须重复目前为止量子计算领域所做的几乎所有开发 。 不过这次是在更稳健、但更复杂的逻辑量子比特上 。 Giustina打趣地说：“有人说量子纠错是量子计算的下一步 ， 其实它是下25步” 。
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比特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比特转换到由分散的大量物理比特组成的逻辑比特上去的 。
研究人员认为他们可以设法避开这个问题 ， 如果他们可以将所有量子比特制备到特定的“魔法态”上去的话 。 这至少能使得那些有问题的逻辑门实现起来事半功倍 。 不幸的是 ， 要制备这些魔法态 ， 我们又需要提供更多的量子比特 。 “如果你想运行类似Shor算法这样的东西 ， 可能有90%的量子比特将不得不用于制备这些魔法态” ， Roffe说 。 所以 ， 一个完全成熟的、拥有上千个逻辑量子比特的量子计算机 ， 最终将需要好几百万个物理比特 。


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