IT之家 2 月 11 日消息，量子計(jì)算機(jī)具有在某些問題上遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，但量子比特卻會(huì)因干擾噪音的影響而失去量子特性。因此，實(shí)用的可容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)最終要求對(duì)量子糾錯(cuò)碼（即邏輯量子比特）實(shí)現(xiàn)編解碼和糾錯(cuò)，并在糾錯(cuò)保護(hù)下進(jìn)行量子邏輯門操控，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子信息的保護(hù)。量子糾錯(cuò)被公認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)通用量子計(jì)算的核心問題。
初創(chuàng)公司 QuEra 宣布其開發(fā)的世界首臺(tái)具有“邏輯量子位”的商用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)將在 2024 年底推出，并擁有 256 個(gè)物理量子位和 10 個(gè)邏輯量子位。
IT之家注：邏輯量子位是由物理量子位（量子比特）通過(guò)量子糾纏連接而成，它通過(guò)將相同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的地方來(lái)減少量子計(jì)算機(jī)中的錯(cuò)誤，從而使計(jì)算過(guò)程中的故障點(diǎn)變得多樣化。
值得一提的是，QuEra、哈佛大學(xué)和其他幾所研究機(jī)構(gòu)在 2023 年 12 月 6 日向《自然》雜志發(fā)表了一項(xiàng)新研究，其中就展示了一臺(tái)運(yùn)行良好的量子計(jì)算機(jī)，它包含 48 個(gè)邏輯量子位，這是迄今為止經(jīng)過(guò)測(cè)試的最大數(shù)量的邏輯量子位。
論文作者、QuEra 和哈佛大學(xué)物理學(xué)家 Harry Zhou 在一封電子郵件中告訴 Live Science 說(shuō)：“這是第一臺(tái)具有量子糾錯(cuò)功能的機(jī)器。”
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雖然這臺(tái)測(cè)試用的量子計(jì)算機(jī)本身沒有足夠的性能，但它為軟件開發(fā)者提供了一個(gè)平臺(tái)，可以用來(lái)測(cè)試未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的代碼。
眾所周知，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制位存儲(chǔ)信息（其值要么為 0，要么為 1），而量子計(jì)算機(jī)使用的量子位處于疊加狀態(tài)（可以同時(shí)處于 0 和 1 之間的狀態(tài)），而且量子位還可以通過(guò)量子糾纏組合在一起，同時(shí)存在于多個(gè)狀態(tài)。這就使它們能夠比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快地執(zhí)行更多的計(jì)算量，前提是包含足夠數(shù)量的量子比特。
但要想提高數(shù)量也不是那么簡(jiǎn)單的事，量子位很容易受到干擾，大約每 1000 個(gè)量子位中就會(huì)有 1 個(gè)出現(xiàn)錯(cuò)誤，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一般 10 億億個(gè)比特中才會(huì)出現(xiàn) 1 個(gè)錯(cuò)誤。
如果哪一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)能擁有數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子位，那它將直接超越當(dāng)今最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，但目前為止最大的量子計(jì)算機(jī)也只有大約 1000 個(gè)量子位，這種高故障率嚴(yán)重限制了人類對(duì)量子計(jì)算機(jī)的的研究速度。
實(shí)際上，在計(jì)算和通訊中出現(xiàn)錯(cuò)誤是很自然的事。上世紀(jì)五十年代的早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)都是用電子管或繼電器構(gòu)建的比特，會(huì)毫無(wú)預(yù)兆地發(fā)生反轉(zhuǎn)。為此，數(shù)學(xué)家馮·諾伊曼提出利用冗余比特來(lái)糾錯(cuò)的容錯(cuò)技術(shù)。冗余糾錯(cuò)很容易理解，比如說(shuō)你電話中告訴別人你的名字，說(shuō)一次不夠就說(shuō) 3 次“我是張三、張三、張三……”，次數(shù)越多，傳錯(cuò)聽錯(cuò)的概率就越小，冗余糾錯(cuò)的方法便類似于此。
目前來(lái)看，提高系統(tǒng)的可靠性一般有兩種辦法：一是對(duì)硬件縝密設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制，盡量減少出錯(cuò)的概率；二是以冗余為代價(jià)來(lái)?yè)Q取可靠性，算是軟件方面的努力。硬件的控制是有限的，必須利用軟件編碼來(lái)“容許”錯(cuò)誤。
糾錯(cuò)可以抵消量子位易于出錯(cuò)的趨勢(shì)，而構(gòu)建邏輯量子位就是一種很巧妙的方法。據(jù)介紹，QuEra 極大地降低了量子位的錯(cuò)誤率，其第一臺(tái)使用該技術(shù)的商用機(jī)器就實(shí)現(xiàn)了 256 個(gè)物理量子位和 10 個(gè)邏輯量子位。
Harry Zhou 介紹稱，新的糾錯(cuò)系統(tǒng)便是依賴于數(shù)據(jù)冗余，即同一份數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多個(gè)位置。具體來(lái)說(shuō)，相同的數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在多個(gè)位置，而邏輯量子位可以在多個(gè)物理量子位上執(zhí)行相同的計(jì)算，即使一個(gè)或多個(gè)物理量子位出現(xiàn)故障也可以保證計(jì)算繼續(xù)進(jìn)行，從而大大降低錯(cuò)誤率。
研究人員通過(guò)將糾錯(cuò)代碼應(yīng)用于普通量子位來(lái)創(chuàng)建邏輯量子位。然后，他們?cè)诹孔游恢g建立邏輯門或電路，使其糾纏在一起。隨后，量子計(jì)算機(jī)計(jì)算“綜合征”，也就是衡量可能發(fā)生錯(cuò)誤的程度。利用該信息，量子計(jì)算機(jī)可以糾正錯(cuò)誤并進(jìn)行下一步操作。
數(shù)據(jù)方面，谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室 2023 年曾使用三個(gè)邏輯量子位實(shí)現(xiàn)了 2.9% 的錯(cuò)誤率，而 Quera 公司的錯(cuò)誤率僅為 0.5%（使用 48 個(gè)邏輯量子位）。不過(guò)目前世界領(lǐng)先的是牛津大學(xué)，他們以雙量子位實(shí)現(xiàn)了小于 0.01% 的錯(cuò)誤率，實(shí)用意義不大。
值得一提的是，IBM 去年也展示了其 127 個(gè)量子位的 Heron 芯片的糾錯(cuò)技術(shù)，與其他芯片相比可使得錯(cuò)誤率降低 80%，但其首臺(tái)商用機(jī)器預(yù)計(jì)要到 2029 年才會(huì)問世。
QuEra 公司計(jì)劃在 2025 年推出擁有 30 個(gè)邏輯量子位和 3000 個(gè)物理量子位的機(jī)器，計(jì)劃在 2026 年推出一臺(tái)擁有 10,000+ 個(gè)物理量子位和 100 個(gè)邏輯量子位的“性能猛獸”。
Harry Zhou 還透露：“擁有 100 個(gè)邏輯量子位的機(jī)器（2026 年）可以以超過(guò)當(dāng)今（所有）超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力進(jìn)行正確的計(jì)算。”
