研究人员提出一种可显著降低原型量子计算机错误率的方案

IEEE电气电子工程师学会 2019-03-06 21:42

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照片来源:Graham Carlow / IBM Research

这台稀释制冷机容纳着IBM Q背后的量子计算机。IBM Q是一个基于云的平台,研究人员和其他公司可以在这个平台上试验量子计算技术。 

关于量子计算的大多数流行报道给人的印象是,这项技术即将取得突破,这将彻底改变计算世界。当然,现实远没有那么戏剧化。

当然,对量子计算的研究已有数十年之久,目前正不断取得进展中。但是更冷静的评估(例如美国国家科学、医学和工程院去年12月发布的报告)认为,在短时间内建造出能破解互联网加密或执行具有实际意义的类似量子计算的量子计算机的可能性很小。

不过,上周发表在著名期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的项研究结果有助于提高量子计算有朝一日变得有用机会论文中解释了长期以来被视为使量子计算变得有用的关键之事:通过冗余降低错误率。

你看,在今天的量子计算机原型中,用来编码量子比特的硬件容易产生各种各样的噪音,这会使存储的信息很快遭到破坏。这些原型因此被称为噪声中等规模量子计算机(简称NISQ计算机。到目前为止,它们除了作为研究工具之外没有任何实际用途。

数十年来人们都知道,特别设计的纠错方案至少在理论上可以降低量子计算中的错误率。但是这些方案是基于对所涉及的噪声特性的某些假设,而这些假设是否适用于真正的NISQ计算机尚不确定。研究人员刚刚开始探索这个问题。

上周发表的那篇论文的作者是悉尼大学的Robin Harper和同时隶属悉尼大学及耶鲁大学的Steven Flammia。他们指出特定的方案可以帮助降低原型量子计算机中的错误率。他们使用的是IBM的一台原型量子计算机,研究人员可以通过称为IBM’s Quantum Experience(简称IQX)的东西远程访问它进行试验。

他们具体是如何做的,这超出了我的理解能力。这里我尽可能地概述一下总体策略。

就像传统计算一样量子计算中的纠错依赖于冗余。如果没有错误,就可以使用硬件提供的原始物理量子比特进行计算。但是面对总是在一定程度的噪声,你必须多个物理量子比特组合成一个逻辑量子比特,这样会变得不太容易出错。

Harper和Flammia一个只涉及两个逻辑量子比特的系统降低了错误率。他们使用的纠错方案需要四个物理量子位。该方案通过两种途径改善了错误率。一种是用一个更可靠的虚拟CNOT门来代替物理电路中最大的噪声源,也就是所谓的NOT门。另一种策略是检测何时可能发生错误,这样就可以在发生错误时将它们抛出。

试验结果表明,这台机器在仅使用两个物理量子比特进行计算时错误率从约6%降低到了约0.6%。虽然这种数量级的改进令人印象深刻,但研究人员强调他们的实验并没有考虑所谓的态制备和测量误差。结果是,计算总体上仍然在一个关键标准——即容错阈值——之下。在容错阈值之上,将允许执行更复杂的计算,因为纠正错误的速度比创建错误的速度快。

在真正的量子计算机中的实际计算何时会突破容错阈值?目前还不清楚。然而,如果它真的发生了,它可能会首先在一个只有几个逻辑量子比特的非常小的系统中进行演示,就像在最近这篇论文所介绍的进展所做的那样。


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