多种纠错技术“护驾”量子计算

2024-10-10

<article><section data-type=“rtext”><img data-alt=“IBM公司的量子计算机展示模型。图片来源：英国《新科学家》杂志网站” src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/0e5f33eabf6213bd154a2a1daad9b207.jpg?imageView2/2/w/750" />【科技创新世界潮】◎本报记者刘霞尽管量子计算机领域的研究进展突飞猛进，但量子计算机的“性情”仍不稳定，容易出错，尚无法投入实际应用。为此，包括谷歌和IBM等在内的众多公司竞相开发量子纠错技术，旨在为最终实现稳定可靠的量子计算系统奠定基础。他们取得的一系列突破性成果，正将量子纠错技术推向新高度。这些成果不仅彰显了量子纠错技术的巨大潜力，也拓宽了量子计算的边界。正如英国剑桥大学科学家杰米·维卡里10月1日接受英国《新科学家》周刊网站采访时所言：突然间，真正有用的量子计算设备竟如此“近在咫尺”。量子纠错技术应运而生传统计算机使用“比特”处理信息，每个比特只能代表0或1。而量子计算机的基本信息处理单元为“量子比特”，它们可以同时处于0和1的“叠加态”。这种特性使量子计算机能比传统计算机更快处理某些任务。此前数年，量子计算机公司大多追求“以大为美”：不断增加系统内量子比特的数量，以期打造出更强大的量子计算设备。但量子比特极其敏感，容易受到环境噪声的影响，从而出现错误。目前，世界上最先进的量子计算机在执行量子运算时，最多只能维持几百次无误差操作。然而，为了实现真正的量子优势——即量子设备能做到普通设备做不到的事情，这一数字必须攀升至百万次，甚至数万亿次。有科学家估计，要执行一个大规模具有实用意义的量子算法，可能需要将量子比特的出错率控制在1×10-10以下。《电子工程时报》欧洲分部今年5月发表的一篇文章也指出，现有量子计算机通常每进行一百次计算就会出现一次错误，即错误率为10-2，远未达到当前经典计算机所实现的10-18。极高的易错性，成为量子计算实现其伟大愿景的最大“拦路虎”，量子纠错技术应运而生。逻辑量子比特纠错效果初显多家公司纷纷将注意力投向逻辑量子比特。逻辑量子比特由物理量子比特通过量子纠缠连接而成，它通过将相同数据存储在不同地方来减少量子计算机的错误。今年8月，谷歌科学家发表论文称，通过向计算机中添加更多物理量子比特来构建逻辑量子比特时，错误不会像滚雪球般变得无法控制，而是在达到某个阈值后，随着系统的扩大而减少。研究团队解释称，其中的原理是将信息分散在一组量子比特中，即便其中一个量子比特出现错误，另外的物理量子比特仍然可以提供足够的信息，保证计算结果的准确性。这一结果为未来实现大规模容错量子计算奠定了坚实的基础。不过，英国帝国理工学院的罗伯托·邦代桑指出，谷歌的工作并不涉及真正的量子计算，但这些量子比特可以作为存储器使用。当地时间9月10日，微软公司也传出消息。据其官网报道，该公司与量子计算公司Quantinuum成功纠缠了12个逻辑量子比特，并创造了有史以来最高的计算保真度。研究团队还使用逻辑量子比特结合人工智能以及云端高性能计算，展示了首个端到端化学模拟，解决了实际化学难题。微软团队解释称，新突破得益于两个关键要素：作为硬件的H2离子阱量子计算机，以及作为软件的Azure Quantum量子比特虚拟化平台。微软的量子计算机采用一系列磁捕获的带电粒子，而非谷歌公司所使用的超导线。这使它能够采用一种特殊的量子纠错技术来保护量子信息——该技术将物理量子比特排列成一个四维超立方体几何结构，从而保护逻辑量子。邦代桑强调，从原理上来讲，这种方法能够使用更少的物理量子比特来编码更多的逻辑量子比特，因此效率可能更高。与此同时，微软还宣布与原子计算公司联手打造世界上最强大的计算机，下一步力求实现1000个高性能逻辑量子比特。此外，去年底，来自美国哈佛大学、QuEra等的科学家，在《自然》杂志刊发论文，展示了他们用中性原子体系研发的48个逻辑量子比特的量子计算原型机，并展示了对这些逻辑量子比特的逻辑操作。玻色编码纠错成新宠除构建逻辑量子比特外，也有科学家另辟蹊径，开发其他量子纠错技术。据《新科学家》周刊网站报道，美国耶鲁大学的本杰明·布罗克及其同事，测试了一种名为玻色编码的纠错技术。这一方法巧妙地将错误分布在量子计算机的振动上。该系统使用了可以取更多值的“高维量子比特”，因此在理论上具有更强大的纠错能力。紧接着，今年9月，亚马逊量子计算团队展示了另一种名为“范畴量子比特”的玻色编码技术。与谷歌的研究结果类似，其错误会随着系统的扩大而减少。英国伦敦大学学院的丹·布朗表示，谷歌和微软的方法更侧重于主流的、基于量子比特的量子计算；而耶鲁和亚马逊研究团队引入的玻色编码则更新颖，且更具探索性。此前，谷歌和IBM公司曾声称，实用的容错量子计算机最早于2029年面世。然而，布朗等人也指出，完全容错的系统可能仍遥不可及，需要科学家们上下求索。</section></article>