量子計算機新型糾錯代碼！來自量子物理學家的最新突破

2020-08-28 科學新聞前沿

班傑明·布朗博士是雪梨大學納米研究所和物理學院的研究員。 出處：雪梨大學

雪梨大學的一位科學家實現了一位量子業內人士所說的「許多研究人員認為不可能實現的事情」。

物理學院的班傑明·布朗博士已經為量子計算機開發了一種糾錯碼，它將釋放更多的硬體來進行有用的計算。它還提供了一種方法，可以讓谷歌和IBM等公司設計出更好的量子微晶片。

他通過將已知的三維操作代碼應用於二維框架來做到這一點。

布朗博士說，「訣竅是把時間作為第三個維度。我使用兩個物理維度，加上時間作為第三個維度。」 「這為我們提供了前所未有的可能性。」


「這有點像編織，」他說。「每一排就像一條一維的線。你一排又一排地編織，隨著時間的推移，這就產生了一個二維的材料板。」

量子計算概念圖

容錯量子計算機

在科學家建造足夠大的機器來解決有用的問題之前，減少量子計算中的錯誤是他們面臨的最大挑戰之一。

「量子信息非常脆弱，因此它會產生很多錯誤，」布朗博士說。

完全消除這些錯誤是不可能的，因此目標是開發一種「容錯」體系結構，其中有用的處理操作遠遠超過糾錯操作。

「直到一個錯誤觸發白屏或其他故障之前，你的手機或筆記本電腦已經在很多年裡執行了數十億次操作，目前的量子操作很幸運，每20次操作中只有不到1次錯誤，而這也意味著每小時有數百萬次錯誤。」「這將帶來很多次白屏。」

如今實驗量子計算機中的大部分構件——量子比特或量子比特的發部分組成部分，都被用於糾錯的「開銷」所佔據。

布朗博士說，「我抑制錯誤的方法是使用一種代碼，這種代碼在二維的架構表面上運行。這樣做的效果是把很多硬體從糾錯中解放出來，讓它繼續處理有用的東西。」

內奧米·尼克森(Naomi Nickerson)博士是加州帕洛阿爾託PsiQuantum的量子架構部主任（她與這項研究無關）。她說：「這一結果為執行容錯門建立了新的選擇，它有可能極大地減少開銷，讓我們離實用的量子計算的到來更加接近。」

量子處理器渲染圖

通向通用計算的途徑

像PsiQuantum這樣的初創企業，以及谷歌、IBM和微軟等大型科技公司，都在帶頭開發大規模量子技術。 迫切需要找到能夠讓他們的機器擴大規模的糾錯碼。

微軟量子公司(Microsoft Quantum)高級研究員麥可·貝弗蘭(Michael Beverland)博士也與這項研究無關，他說：「這篇論文探索了一種令人興奮的奇特方法來執行容錯量子計算，為無需蒸餾就可能實現二維通用量子計算指明了方向，而許多研究人員認為這是不可能的。」

目前存在的二維代碼需要貝弗蘭博士所說的蒸餾，更準確地說是「魔態蒸餾」。 這是量子處理器對多個計算進行排序並提取有用計算的地方。

這就消耗了大量的計算硬體，僅僅是為了抑制錯誤。

布朗博士說，「我已經應用了三維碼的強大功能，並將其改造成二維框架。」

今年3月，他與來自EQUS和雪梨大學的同事在頂級物理雜誌「物理評論快報」上發表了一篇論文。 在這項研究中，他和他的同事開發了一種解碼器，可以識別和糾正比以往任何時候都多的錯誤，實現了糾錯的世界紀錄。

「識別更常見的錯誤是我們釋放更多處理能力進行有用計算的另一種方式。」

史蒂芬·巴特利特(Stephen Bartlett)教授是該論文的合著者之一，也是雪梨大學量子信息理論研究小組的負責人。說到：「我們在雪梨的團隊非常專注於發現我們如何放大量子效應，以便它們能夠為大規模設備提供動力。」

「布朗博士的研究已經證明了如何為量子晶片做到這一點。這類進展將使我們能夠從少量的量子位發展到非常大量的量子位，並建造超強大的量子計算機，解決未來的重大問題。」

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