介绍
在量子纠错的世界里,一个失败者即将成为王者。
上周,两个小组的新模拟报告称,一类新兴的量子纠错码的效率比当前的黄金标准(称为表面码)高一个数量级。 这些代码的工作原理都是将一群容易出错的量子位转换为一小部分很少出错的“受保护”量子位。 但在这两个模拟中,低密度奇偶校验(LDPC)代码可以从比表面代码少 10 到 15 倍的原始量子位中生成受保护的量子位。 两个小组都没有在实际硬件中实现这些模拟飞跃,但实验蓝图表明这些代码或类似的代码可以加速功能更强大的量子设备的到来。
“看起来确实即将实现,”说 丹尼尔·戈特斯曼 马里兰大学的教授,研究 LDPC 码,但没有参与最近的研究。 “这些[代码]可能是实用的东西,可以极大地提高我们制造量子计算机的能力。”
经典计算机运行的位很少发生故障。 但是,当任何事物将量子计算机从其脆弱状态中推开时,为量子计算机提供动力的类粒子物体(量子位)就会失去量子魔力。 为了让未来的量子比特发挥作用,研究人员计划使用 量子误差校正,使用额外的量子位对信息进行冗余编码的做法。 从本质上讲,这类似于通过将每个单词说两次来保护消息免受静电干扰,从而将信息传播到更多的字符中。
规范之王
1998年,加州理工学院的阿列克谢·基塔耶夫和时任俄罗斯朗道理论物理研究所的谢尔盖·布拉维提出了量子纠错表面码。 它将量子位组织成方形网格,并执行类似于扫雷游戏的操作:每个量子位连接到四个邻居,因此检查指定的辅助量子位可以让您谨慎地窥探四个携带数据的量子位。 根据检查返回 0 还是 1,您可以推断某些邻居是否出现错误。 通过检查主板,您可以推断出错误所在并修复它们。
介绍
通过这些检查以及对不确定量子位的更微妙的调整,您还可以在整个方块的数据承载量子位中隐藏可靠的量子位,不是完全在这里或那里,而是无处不在。 只要不确定的量子位保持扫雷操作顺利进行,隐藏的量子位就保持安全,并且可以被操纵来执行操作。 通过这种方式,表面代码优雅地将许多劣质量子位融合成一个很少出错的单个量子位。
“对我来说有点烦人的是表面代码是你能想到的最简单的东西,”说 尼古拉斯·布雷克曼布里斯托大学的一名物理学家转为数学家,多年来一直致力于改进该方案。 “而且它的性能非常好。”
该代码成为纠错的黄金标准; 它对行为不当的量子位具有高度的容忍度,并且网格很容易可视化。 因此,表面代码影响了量子处理器和量子路线图的设计。
“这就是我们要做的事情,”说 芭芭拉·特哈尔,荷兰 QuTech 研究所的量子信息理论家。 “这就是你必须制造的芯片。”
表面代码的缺点尚未在实践中得到充分证明,那就是对量子位的贪得无厌。 需要更大的劣质量子位块来更有力地保护可靠的量子位。 要制作多个受保护的量子位,您需要将多个块拼接在一起。 对于梦想在许多受保护的量子位上运行量子算法的研究人员来说,这些都是沉重的负担。
2013 年,戈特斯曼看到了摆脱困境的潜在出路。
包括 Terhal 和 Bravyi 在内的研究人员 找到证据 这表明,对于仅将邻居与邻居连接的平面代码,表面代码的效果正如您所希望的那样。 但是,如果您允许每次检查将遥远的量子位连接在一起呢? 量子信息理论家已经开始探索具有这种“非局域”连接的代码,这些代码被随意称为 LDPC 代码。 (令人困惑的是,表面代码在技术上也是 LDPC 代码,但实际上该术语通常指的是具有非本地检查的更奇特的氏族成员。)
Gottesman 随后表明,某些 LDPC 代码可能远没有那么贪婪:它们可以将多个受保护的量子位塞进一个块中,这将有助于避免表面代码对大型算法不断膨胀的量子位需求。
但戈特斯曼的工作是高度理想化的,本质上被认为是无限的量子比特群。 实际的挑战是看看研究人员是否可以缩小 LDPC 代码的规模,使其在真正的量子设备中工作,同时保留其魅力。
演示虚拟保护
在过去的两年中, 布罗克曼 和 其他研究员 已经开始仔细研究可以在越来越小的系统上运行的 LDPC 码的性能。 人们希望其中一些可以适合当今的设备,这些设备可以提供大约 100 个原始量子位。
上个月由 Bravyi 领导的 IBM 研究人员团队基于来自 鲜为人知的论文 发表于 2012 年。它从表面代码对四个相邻量子位的检查开始,并添加了两个精心选择的“非局域”量子位。
他们模拟了可能出现的各种错误 如果代码在真实电路上运行,这个过程就像将数字战斗机放入数字风洞中并观察它如何飞行。 他们发现他们的代码可以比表面代码更有效地保护其可靠的量子位。 在一次测试运行中,代码采用了失败率为 288% 的 0.1 个原始量子位,并使用它们创建了 12 个受保护的量子位,失败率降低了 10,000 倍。 该团队估计,对于同一任务,表面代码将需要超过 4,000 个输入量子位。
IBM 团队的研究员 Andrew Cross 表示:“我们对此感到非常惊讶。”
该模拟暗示了今天获得明天的纠错的可能性,因为虽然没有人能够访问 4,000 个量子位,但具有数百个量子位的设备指日可待。
“你可以看到我们今天拥有的具有大量量子位的设备具有相当大的容错能力,”戈特斯曼说。
IBM 预印本发表的第二天,由研究人员领导的多机构合作 米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin) 哈佛大学和 梁江 芝加哥大学 发布了类似的结果。 (研究人员拒绝讨论他们的工作,该工作已提交给同行评审的期刊。)他们已经掸掉了另外两个 LDPC 代码,修改它们进行模拟,发现与表面代码相比,它们也需要大约十分之一的输入量子位数量来产生数十到数百个好的量子位。
但构建 F-35 比模拟 F-35 更困难,构建 LDPC 代码就绪设备也将极具挑战性。 “有两件事可能会阻止这些事情真正接管,”戈特斯曼说。
首先,在量子位之间创建非局域连接非常困难,特别是对于像 IBM 这样用固定超导电路制造量子位的公司来说。 将这些电路与其邻居连接起来是很自然的事情,但在遥远的量子位之间建立联系却不是。
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其次,当将受保护的量子位用于内存时,LDPC 代码会表现出色,就像在 IBM 模拟中一样。 但是,当涉及到使用这些模糊的、重叠的量子位进行计算时,错综复杂的非局部代码结构使得选择和引导所需的量子位变得更加困难。
“我们知道原则上可以进行这些计算,”戈特斯曼说,他在 2013 年的工作中勾画出了一个这样做的方案。 “但我们不知道是否有可能以真正实用的方式做到这一点。”
卢金和同事为解决这些主要弱点采取了一些温和的措施。 一方面,该团队通过将 LDPC 保护的量子存储器与表面代码保护的量子处理器融合来模拟端到端计算。 在该方案中,量子位节省很大程度上克服了计算负担,但代价是计算运行时间更长。
此外,卢金的团队将他们的模拟定制为一种 自由漫游的量子位 这非常适合安排远程连接。 与固定超导电路不同,它们的量子位是由激光束保持的原子。 通过移动激光器,它们可以使远处的量子位接触。 “这对于 LDPC 码来说非常棒,”Breuckmann 说。
LDPC 码何时(或者是否)变得实用仍然不确定。 即使是最乐观的预测,数十个可靠的内存量子位的演示也可能至少需要几年时间,而计算仍然需要更远的时间。 但最近的模拟使表面代码看起来越来越像量子计算道路上的垫脚石,而不是目的地。
“表面代码已经存在 20 年是有原因的,”Breuckmann 说。 “它很难被击败,但现在我们有证据表明我们实际上可以击败它。”
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