新代码可以使量子计算更10倍有效
量子计算仍然是非常非常困难。但一类强大的纠错代码的兴起提示这项任务比许多人担心的可能是略微的更可行的
QUANTUM COMPUTING为量子计算机提供动力的量子比特 - 量子位 -是出了名的错误的，需要聪明的纠错策略来呆在正轨上。Peter Hansen/iStock
ByCharlie Wood
Staff Writer
August 25, 2023
新浪博客
为量子计算机提供动力的量子比特 - 量子位 -是出了名的错误的，需要聪明的纠错策略来呆在正轨上。Peter Hansen/iStock
ByCharlie Wood
Staff Writer
August 25, 2023
在量子纠错的世界里，一个失败者正为国王而来。
上周，来自两个小组的新仿真报告了一类上升的量子纠错码比目前的叫表面码的黄金标准效率更高一个数量级。这些代码都通过将一大群容易出错的量子比特转换为一个远更小的“被保护的” 罕见少犯错误的量子比特起作用。但在两次仿真中，低密度奇偶校验------或LDPC------代码可以使被保护的量子比特比表面代码更少出来10到15倍的生量子比特。这两个小组都没有在实际硬件中实现这些仿真飞跃，但实验蓝图提示这些代码或类似它们的代码可能会加速更强大的量子设备的到来。
马里兰大学的达涅尔戈特斯曼（Daniel Gottesman）说，“看起来它真的正在来出成果” ，他研究低密度奇偶校验代码但没有参与最近的研究。“这些[代码]可能是实用的东西，能大大提高我们的来制造量子计算机的能力”。
经典计算机运行在罕见失火的位上。但为量子计算机提供动力的粒子一样物体------量子比特------当刚关于将它们从它们的微妙的状态推挤出的任何东西时丧失它们的量子魔力。为哄引未来的量子比特变得有用研究人员计划使用量子纠错，用额外的量子比特来冗余编码的做法。这在精神上类似于通过说出每个单词两次来保护一个消息免受静电，将信息分散出去到更多字符中。
典范的国王
1998年，加州理工学院的阿里克谢吉他耶夫（Alexei Kitaev）和当时俄罗斯朗道理论物理研究所的赛尔盖布拉吴伊（Sergey Bravyi）引入了量子纠错表面代码。它将量子比特组织成一个方形网格并执行类似于扫雷游戏一样的东西：每个量子比特连接到四个邻居，因此检查被指定的帮助子量子比特允许你谨慎的窥探在四个携带数据的量子比特上。依靠检查返回 0 还是 1你能推断某些邻居是否出错。通过绕着检查板你能推断出错误的位置并修复它们。
尼古拉斯·布罗克曼（Nikolas Breuckmann）已经花了数年时间试图超越表面码------量子纠错的黄金标准------他怀疑低密度奇偶校验码可能是答案。Oliver Brown
通过这些检查------以及不稳定的量子比特的更微妙的调整------你还能在整个方块的数据携带量子比特中隐藏一个可靠的量子比特，不完全在这里或那里但是种无处不在。只要不确定的量子比特保持扫雷行动顺利的沿着嗡嗡，隐藏的量子比特安全呆着并且能被操纵来执行运算。以这种方式，表面代码优雅的将许多劣质的量子比特融合成一个罕见的出错的单一量子比特。
布里斯托大学（University of Bristol）的物理学家、数学家尼古拉斯·布罗克曼说，“对我这有点烦人的是表面代码是你能想到的最简单的东西”，他已经花了数年时间试图来改进这个方案。“而它表现的令人惊讶的好”。
该代码变成纠错的黄金标准;它高度容忍行为异常的量子比特，并且网格是易于可视化的。因此，表面代码影响了量子处理器和量子路线图的设计。.
荷兰量子技术研究所（QuTech）的量子信息理论家芭芭拉特儿哈尔（Barbara Terhal）说，“这一直是要做的事情，这是你必须来制造的芯片”。
抽象导航科学和数学中承诺的想法。与我们一起旅行并加入对话。
表面代码的缺点还没有在实践中被充分证明是一个对量子比特的贪得无厌。需要更大的劣质量子比特块来更强的保护可靠的量子比特。要制作多个被保护的量子比特，你需要将多个块拼接在一起。对梦想在许多被保护的量子比特上运行量子算法的研究人员，这些是繁重的负担。
2013年，戈特斯曼看到了一个摆脱这种混乱的潜在出路。
包括特儿哈尔和布拉维伊在内的研究人员已经发现提示对一个仅将邻居连接到邻居的平面代码表面代码确实表现的与你所希望的一样好的证据。但如果你允许每个检查来将遥远的量子比特链接在一起会怎样呢？量子信息理论家已经开始来探索特征有这种“非局部”连接的代码，这些代码被随意地称为低密度奇偶校验（LDPC）代码。（令人困惑的是，表面代码在技术上也是低密度奇偶校验代码，但在实践中，该术语往往是指有非本地检查的更异域的氏族成员）。
戈特斯曼随后表明了某些低密度奇偶校验代码可能远不是那么贪婪的：它们可以将多个被保护的量子比特塞进一个单一块中，这将帮助避免表面代码的对更大算法膨胀的量子比特要求。
但戈特斯曼的工作是高度理想化的、被认为是本质上无限群的量子比特。实际的挑战是看研究人员是否可以缩小低密度奇偶校验代码来在真正的量子设备中工作，同时保持它们的魅力。
演示虚拟的保护
在过去的两年里，布罗克曼和其他研究人员已经开始精查能在越来越小的系统上运行的低密度奇偶校验代码的性能。希望是有些可能适合今天的装置，它能提供大约100个生量子比特。
上周，由布拉维伊领导的IBM研究小组基于2012年发表的一篇鲜为人知的论文中的低密度奇偶校验代码公布了迄今为止最小、最具体的低密度奇偶校验蓝图的一个仿真。它从表面代码的四个相邻量子比特的检查开始并添加了两个精心挑选的“非本地”量子比特。
IBM的安德鲁克洛斯（Andrew Cross）和同事最近测试了一种功能强大的新纠错代码，发现它比目前最受欢迎的代码效率高一个数量级。IBM
他们仿真了如果代码被运行在一个真实电路上可能发生的各种错误，一个就像将一个数字喷气战斗机插入一个数字风洞并看它如何飞行一样的过程。他们发现了他们的代码可以比表面代码远更有效的保护它的可靠的量子比特。在一次测试运行中，该代码获取了 288 个失败这个时间 0.1% 的生量子比特，并用它们来创建 12 个失败率10000 倍更低的被保护的量子比特。对于相同的任务，该团队估计表面代码会已经需要超过4000个输入量子比特。
IBM团队的研究员安德鲁·克罗斯（Andrew Cross）说，“我们被这个非常惊讶”。
仿真梳理今天获得明天的纠错的可能性，因为虽然没有人已经访问过4000个量子比特，但有数百个量子比特的装置就在拐角。
戈特斯曼说，“你可以看到我们今天有的有许多量子比特的装置相当一个实在量的容错”。
在IBM的预印本出现的第二天，由哈佛大学的米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）和芝加哥大学的梁江（Liang Jiang）领导的多机构合作发布了类似的结果。（研究人员拒绝讨论他们的工作，这项工作已被提交给同行评审的期刊）。他们已经清除了另外两个低密度奇偶校验代码，为仿真修改了它们，发现了当与表面代码相比时它们也需要了大约十分之一的输入量子比特数量来制造数十到数百个好的量子比特。
但建造一架F-35比仿真F-35更难，而建造一个低密度奇偶校验代码准备就绪的装置也将是极端挑战的。戈特斯曼说，“两件主要事情可以阻止这些事情实际上接管”。
首先，在量子比特之间创造非本地连接是艰难的，特别是对像IBM这样出自静态的超导电路制造量子比特的公司。将这些电路与它们的邻居连接是自然的，但在遥远的量子比特之间建立链接不是的。
对依赖移动量子比特的系统将遥远的量子比特连接在一起可能更容易，例如一个团队在2018年用来组装这个原子埃菲尔铁塔（左）的自由漫游原子。对用静态量子比特的系统这将是一个更大的挑战，例如在一个IBM芯片（右）中的这些16个超导量子比特，但IBM团队对如何进行有一些想法。Thierry Lahaye/CNRS (left); IBM
其次，当它们的被保护的量子比特被用于内存时低密度奇偶校验代码出色的，就像它们在IBM仿真中一样。但当到使用这些星云斑的重叠量子比特计算时，纠结的非局部代码结构使来选择和引导所愿望的量子比特远更困难。
戈特斯曼说，“我们在原则上知道来做这些计算是可能的” ，他在2013年的工作中勾勒出了一个这样做的方案。“但我们不知道是否以一种真正实用的方式来做到这样是可能的”。
卢金及其同事朝向解决这些主要弱点做出了谦虚的步骤。对一件事，该团队通过将一个低密度奇偶校验保护的量子存储器与一个受表面代码保护的量子处理器融合仿真了端到端计算。在该方案中，量子比特节省很大程度上存活了计算负担，但代价是计算运行更长。
此外，卢金的团队将他们的仿真定制到一种类型的自由漫游的量子比特，这种量子比特对安排长范围连接是一个自然拟合。与静态的超导电路不同，它们的量子比特是被激光束把持的原子。通过移动激光器，它们能把远距离的量子比特带进接触。布罗克曼说， “对低密度奇偶校验代码这是令人敬畏的”。
RELATED:
1.
2.
3.
什么时候------或甚至是否------低密度奇偶校验代码将变得实用仍然不确定。在甚至最芬芳鲜艳的预测中，数十个可靠的内存量子比特的演示可能至少几年远的，而且计算仍然进一步遥远。但最近的仿真使表面代码似乎越发像一个在到量子计算道路上的垫脚石一样，而不是目的地。布罗克曼说，“表面代码已经存在了20年有一个原因，很难击败它，但现在我们有我们能实际上击败它的证据”。
https://www.quantamagazine.org/new-codes-could-make-quantum-computing-10-times-more-efficient-20230825/