纠错不能，量子计算遇难题

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终于，在数十年的努力后，人类距离达成“实现通用量子计算”这一目标可以说是已经近在咫尺。从两年前 IBM 造出第一台 5 量子比特（qubit）的计算机（IBM Q）那会到现在，全球已有 70,000 个用户注册并使用过过IBMQ，而 IBM 今天的量子计算机所用到的量子比特数也是翻了一番。

在过去的几个月里，IBM 和英特尔宣布他们分别造出了使用 50 个和 49 个量子比特的量子计算机。

 

所谓“即将到来的‘量子优势’”，是指量子计算机在处理任务的时候可以完虐当今最好的经典超级计算机。虽然从使用的比特数量上来说，这听起来可能很荒谬——50 个 qubits vs. 数十亿个经典比特，但量子计算的重点就在于它用的是量子位，而不是经典位。

长期以来，50 个量子位被业界认为是量子计算机完全超越传统计算机所需的比特数量。而谷歌也曾在 2017 年中旬宣布，他们最快能在2017 年年底前就实现量子计算的“量子优势”。

图 | 量子计算机必须能处理好噪声问题，否则就会出现错误

 

读到这里，你可能会觉得量子计算的基础物理问题已经得到了解决，剩下的只是工程设计上的事。但现实是，量子计算相关的基础物理问题还有很多没有解决，而我们在实践中也很难跳过这些问题不谈。

 

尽管我们可能正在逐渐接近实现量子计算的里程碑，但到底量子计算机是否会在未来一两年内彻底改变人类的计算方式还是一个未知数。

 

图 | 位于纽约 YorktownHeights 的 Thomas J.Watson 研究中心的 IBM 量子计算中心将量子计算机放在大型低温容器（最右边）中，使其被冷却到接近绝对零度的温度。

 

难题

 

量子计算需要让所有的量子位都持续处于一种“相干态”，而这并不是一件简单的事。量子相干系统与周围环境之间的相互作用会创造一个通道，而相干性则会在一个被称为退相干的过程中迅速通过该通道被“泄漏”出来，因此，研究人员必须设法避免退相干现象的发生。

目前“相干态”仅能维持几分之一秒，而随着量子比特的数量以及与环境相互作用的可能性的增加，这个挑战将变得越来越大。这也是虽然量子计算的概念早在 1982 年就被理查德·费曼（RichardFeynman）提出，但理论部分在 20 世纪 90 年代才被研究出来的原因之一。

而直到今天，人们才开始研究如何造出能真正进行有意义量子计算的设备。

 

纠错

 

量子计算难以被实现的第二个主要原因，是它像大自然中其它所有的过程一样，存在“杂音”。从量子比特中的热量，或是从更为深层的量子物理过程中产生的随机波动，将可能使量子比特的状态翻转或随机化，导致计算失败。虽然在经典计算中也存在这个问题，但在经典计算中处理它们只需保留每个计算位的两个或多个副本，以便在随机翻转的位出现时有所准备。

 

虽然研究人员目前已经制定了如何在量子计算中处理这类噪声的策略，但目前的这些处理方法会大幅增加计算成本——所有的计算能力都被用来纠错，而不是运行算法。马里兰大学（University of Maryland）量子信息和计算机科学联合中心的联合负责人 Andrew Childs 说：“当前的错误率明显限制了可以执行的计算的长度。如果想要进行高级的运算，就不得不首先处理好这个问题。”

 

图 | Andrew Childs

 

目前对量子计算的研究大多致力于改善计算的纠错方式。其中，部分问题源于量子系统的另一个关键性质————如果不测量，叠加态就会一直维持下去。如果你做了一次测量，量子位的叠加态就会坍缩至一个确定的结果：1 或 0。所以，如果我们不知道一个量子位是到底代表的是 1 还是 0，又该怎样判断它处没出错呢？

 

当下较受欢迎的一个解决方案使用的是一种间接方法，通过将量子比特耦合到另一个“参数”量子位，该“参数”量子位并不参与计算，但是可以在不破坏主量子位本身的状态的情况下被测量。虽然实施起来很复杂。但这样的一个方案意味着，如果要构建一个真正的“逻辑量子位”，我们就需要更多的量子位。

 

那我们到底又需要多少“参数”位呢？对此，哈佛大学量子理论家 AlánAspuru-Guzik 估计，目前做出一个运算用逻辑量子位需要用 10,000 个额外的物理量子位来纠错，而这是一个完全不切实际的数量。

AlánAspuru-Guzik 认为，在乐观的情况下，这个数字可能会减少到到几千甚至上百。Eisert 对此的看法则较为乐观，认为800 额外的个量子位可能就够了，但即使如此，Eisert 也认为这种方法的“成本”很高，我们需要一个更好的纠错方法。

 

纠错的另一种方法是避免错误或消除它们的影响，即所谓的错误减轻（error mitigation）。例如，IBM 的研究人员正在开发一种计算方法，用于计算在计算中可能发生的错误数量，然后将计算推向“零噪声”极限。

 

目前，有一些研究人员认为，纠错的问题将会变得很棘手，并使量子计算机无法成为现实。以色列耶路撒冷希伯来大学的数学家 Gil Kalai 表示：“编写量子纠错码的任务比展示量子优势更为困难。没有纠错能力的设备在计算上是非常原始的，而基于原始的优势是不可能实现的。”换句话说，如果没有解决纠错问题，量子计算就不可能会比传统计算做的更好。

 

也有一些科学家认为，该问题最终会得到解决。IBM Thomas J. Watson 研究中心的量子信息科学家 Jay Gambetta 说：“我们最近在 IBM 进行的实验已经证明了小型设备中量子纠错基本元素的可行性，为设计能稳定存储量子位的大规模设备铺平了道路”，但即便如此，Jay Gambetta 也承认道：“一个必须使用逻辑量子位的通用容错量子计算机还有很长的一段路要走。”但 Gambetta 的态度仍较为乐观，他说：“我确信我们会看到改进纠错实验的成功，但要将纠错方法用于真实的计算可能还需要一段时间才行。”

 

容错

 

目前，量子计算都将会出现大量的错误，问题在于我们如何应对。在 IBM，研究人员正在讨论业内近期看好的“近似量子计算”方法，即寻找适应“噪声”的方法。

 

这就要求可以容错的算法。Gambetta说：“一个足够大，高保真的量子计算设备应该会相比传统计算机具有一些优势，即使它不能进行完全容错的计算。”

 

这种容错方法最直接的应用对科学家而言可以算得上是无价之宝——模拟原子级别上的东西。量子力学中的方程规定了一种计算分子（如药物分子）性质（如稳定性和化学反应性）的方法，但如果不进行大量的简化，它们就不能被经典计算所解决。

 

Childs 说：“相反，电子和原子的量子行为与量子计算机本身的行为相当接近，所以可以构建一个精确的计算机模型。包括我在内的许多业内人士都相信，量子化学和材料科学将是这类设备第一个被派上用场的地方。”

 

量子模拟甚至在迄今为止可用的小型的量子计算机上证明了它们的价值。包括 Aspuru-Guzik 在内的一批研究人员开发了一种称为变分量子本征态（VQE）的算法，该算法即使在量子比特有噪声的情况下也能有效地找到分子的最低能态。

到目前为止，它只能处理只拥有很少电子的小分子。虽然这些经典计算机已经可以进行十分精确模拟，但 Gambetta 和同事在去年九月在 IBM 已经使用了一个 6-qubit 装置来计算包括氢化锂和氢化铍在内的分子的电子结构，而量子计算机的计算能力在逐步提升。据瑞士苏黎世联邦理工学院的物理化学家Markus Reiher 介绍，这项工作是“量子系统的一次重大飞跃”。Gambetta 说：“用 VQE 模拟小分子是近期验证量子算法可行的一个经典安利。”

 

但即使是在这项应用中，Aspuru-Guzik也承认，在量子计算机真正超越经典计算机前，人们首先需要一个能纠错的逻辑量子比特系统。Aspuru-Guzik 说：“当容错量子计算成为现实时，我一定会感到非常兴奋。”

 

Reiher 对此补充道：“如果我们有超过 200 个逻辑量子位，我们可以在量子化学方面超越经典算法。而如果我们能有大约 5000 个这样的量子位，量子计算领域就会发生革命性的变化。”

 

容量

 

尽管量子计算所面临的挑战十分严峻，量子计算机还是在短短一年多的时间里从 5 个量子比特快速增长到了 50个量子比特。但是我们不应该太在意这些数字，因为比起一台设备用上了多少量子比特，我们更应该关注其算法是否高效。

 

任何量子计算必须在退相干启动和扰乱量子位之前完成。通常，量子比特组会有一个长达几微秒的退相干过程。在这一短暂的瞬间，可执行的逻辑操作数量取决于量子门的切换速度，如果这个速度太慢，那使用再多的量子比特也帮不上忙。计算所需的门操作的数量被称为该运算的深度（depth）：虽然低深度（浅层）算法比高深度算法更可行，但问题它是否能被来执行有意义的计算。

 

更重要的是，并非所有的量子位都具有相同的嘈杂程度。在理论上，应该可以从某些材料的所谓拓扑电子状态中做出超低噪声的量子位，其中用于编码二进制信息的电子状态的“形状”会赋予量子位（应对随机噪声的）一种保护。微软的研究人员目前正致力于在外来的量子材料中寻找这样的拓扑态，但不能保证这样的拓扑态就会被发现并被应用。

 

IBM 的研究人员提出了一个名为“量子体积”的参数，它将所有相关因素捆绑在一起：量子比特的数量和连通性，算法的深度以及其他量度门的质量，如嘈杂程度，从而量化表示一台量子计算机的计算能力。Gambetta 表示，目前最好的解决方法是开发量子计算硬件来增加可用的量子体积。

 

一台 50-qubit 量子计算机轻松超过一台超级计算机的概念确实听起来很诱人，但它面临着很多问题。比如，如何确定量子计算机已经得到了正确的运算结果？如何确定经典计算机不会做得更好？

 

目前对于量子优势这一概念而言，一次实际的超越证据对业界来说是十分重要的。Eisert 说：“证明一个明确的量子优势将会是一个重要的里程碑，它将证明量子计算机确实能够扩展技术上的可能性。”

 

如果量子计算取得成功，像IBM 和 Google 这样的公司应该不会马上就在市场上推出这类优质的新设备，而是通过开发人员和用户之间的互动来提升性能。因为只有在有足够的信念认为这项工作是值得的之后，技术才会获得相应的发展。这就是为什么 IBM 和 Google 都热衷于在项目刚获得初期成果后就立即对外开放他们的设备。

除了为在线注册的任何人提供使用 16 量子比特 的 IBM Q 之外，IBM 现在还为摩根大通，戴姆勒，本田，三星和牛津大学等企业客户提供 20 量子比特的设备。这样不仅可以帮助客户发现他们对设备的需求，也能创建一个量子程序员社区，设计并解决实际应用中的问题。

 

Gambetta 说：“未了让量子计算走向成熟，我们必须让世界学会并使用它。而当下，正是让科学家和市场让这项技术变得更为成熟的时期。”

-End-

 

编辑：Peter    校审：黄珊

参考：

https://www.wired.com/story/the-era-of-quantum-computing-is-here-outlook-cloudy/

 

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