[[393135]]

一作、悉尼大學(xué)本科生 Pablo Bonilla Ataides（左）；通訊作者、悉尼大學(xué)博士生 Benjamin J. Brown（右）

在量子計算領(lǐng)域，利用量子計算機執(zhí)行大規(guī)模計算可能需要基于量子糾錯碼的容錯架構(gòu)，其中面臨的挑戰(zhàn)在于設(shè)計一種使用適度資源即可有效對抗實際噪聲的實用量子糾錯碼。

兩年前，在一次物理作業(yè)中，悉尼大學(xué)的一名大二本科生 Pablo Bonilla「一不小心」取得了該領(lǐng)域的重要突破。他所在的研究團(tuán)隊對一些常用的量子糾錯碼進(jìn)行了簡單但優(yōu)雅的更改，將它們的糾錯能力提升了一倍，從而縮短了實現(xiàn)可擴展量子計算的進(jìn)程。在此之前，這種常用的糾錯碼已經(jīng)被研究了近 20 年。

隨后，他們在 arXiv 上公布了一篇名為《The XZZX surface code》的論文，詳細(xì)介紹了所提出的「XZZX」計算碼。

近日，這項研究又登上了《自然 - 通訊》雜志，更引起了 AWS 帕薩迪納量子計算中心以及耶魯大學(xué)和杜克大學(xué)量子研究項目組的注意。這些機構(gòu)還打算使用他的計算碼。

AWS 高級量子研究科學(xué)家 Earl Campbell 表示，「在量子計算領(lǐng)域取得任何真正、實際的效益之前，我們有大量的工作要做。但是，Bonilla 等人的這項研究令我驚訝，我沒想到量子糾錯碼的微小變化會對預(yù)測性能產(chǎn)生這么大的影響。」AWS 量子計算中心團(tuán)隊還期待與 Bonilla 等人進(jìn)一步合作，探索其他有前景的替代方案，進(jìn)而使得新的、更強大的計算技術(shù)更加接近現(xiàn)實。

此外，悉尼大學(xué)理論物理學(xué)教授 Stephen Bartlett 進(jìn)一步追問了該研究，「這些就是量子計算機容錯的最高閾值嗎？是否仍然有超越哈希的空間呢？」

量子糾錯

經(jīng)典計算機利用晶體管（可以理解為「開關(guān)」）運行我們的手機、筆記本等各種設(shè)備，出錯的概率非常小。但是，量子計算機中的「開關(guān)」（即量子比特）對外部環(huán)境的干擾（噪聲）卻非常敏感。

為了讓量子計算機平穩(wěn)運行，研究者需要制造出大量高質(zhì)量的量子比特。具體實現(xiàn)方法包括：改進(jìn)機器，減少噪聲，或利用機器的某種能力將量子比特錯誤抑制在某一閾值以下。

這就是量子糾錯（quantum error correction）的作用所在。

量子錯誤的發(fā)生分為幾種情況：其中一種叫做 X-error，發(fā)生在量子比特圍繞自己的軸翻轉(zhuǎn)的時候；還有一種叫做 Z-error，屬于相位翻轉(zhuǎn)錯誤；二者結(jié)合便產(chǎn)生了 Y-error。

杜克大學(xué)量子糾錯專家 Kenneth Brown 介紹說，「在量子糾錯中，我們通常假設(shè) X-、Y-、Z-error 是等可能的。然而，真實的實驗結(jié)果卻并非如此?！?/p>

Bonilla 所做的工作就是在每一秒都重新調(diào)整糾錯碼的一部分。這種碼被稱為 surface code，可以在已經(jīng)連通的量子比特的二維網(wǎng)絡(luò)中工作。

量子棋盤

為了便于理解，我們可以把 surface code 想象成一個 國際象棋棋盤。在其最初的設(shè)計中，黑色方塊用于檢測 Z-error，白色方塊用于檢測 X-error。但是，相比之下，Z-error 要更加普遍。因此，用那么多的方塊去檢測不那么常見的 X-error 顯得非常浪費。

Bonilla 設(shè)計的計算碼打破了這種設(shè)計，將一半的量子開關(guān)進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)，使每一個方塊都能用于檢測兩種錯誤。這種計算碼被稱為「XZZX」碼，顯示了對 surface code 的重新設(shè)計。

XZZX surface code 示意圖。

「XZZX」計算碼的容錯閾值。

Brown 教授表示，「XZZX 碼非常了不起，因為它通過簡單的局部變換就能為所有 X、Z 錯誤不均的情況提供最佳解決方案?！?/p>

耶魯大學(xué)量子研究項目助理教授 Shruti Puri 表示，她的團(tuán)隊對在工作中使用新計算碼很感興趣。

「這種計算碼的優(yōu)雅讓人眼前一亮。它的卓越糾錯特性來自于對原碼的簡單修改，而后者我們已經(jīng)研究了近 20 年?！筆uri 說道，「這與耶魯和其他機構(gòu)正在開發(fā)的新一代量子技術(shù)極為相關(guān)。我相信，有了這套計算碼，我們可以大大縮短實現(xiàn)可擴展量子計算的時間線?！?/p>

該研究的合著者、物理學(xué)院的 David Tuckett 博士表示，「這有點像和量子對手玩海戰(zhàn)棋。從理論上來說，他們可以把船放在棋盤的任何地方。但在玩了數(shù)百萬場后，我們已經(jīng)掌握了他們的一些布局規(guī)律?！埂笍膶嶒炛形覀冎?，Z-error 要比 X-error 常見得多。根據(jù)這一特性，Pablo 重新設(shè)計了 surface code，大大提高了其抑制錯誤的能力?！?/p>

實用價值

該研究的合著者、悉尼大學(xué)理學(xué)院研究副院長 Stephen Bartlett 表示，「這一設(shè)計的偉大之處在于，我們可以有效地對其進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)整個行業(yè)正在開發(fā)的 surface code」。

「對于一個長期從事 2D 芯片設(shè)計的行業(yè)來說，讓新計算碼在一個二維表面上工作有著非常理想的應(yīng)用價值?！?/p>

文章的另一位合著者、悉尼大學(xué)納米研究所和物理學(xué)院博士 Ben Brown 表示，「建造一臺實用的量子計算機有點像萊特兄弟要造飛機，我們現(xiàn)在甚至還沒離開過地面?！?/p>

「實驗人員正在生產(chǎn)用來造飛機的堅固、輕便材料，而我們剛剛為機翼貢獻(xiàn)了一個更符合空氣動力學(xué)的設(shè)計，它有更大的升力。我們的設(shè)計可能會幫助大規(guī)模量子計算起飛。」