量子计算技术挑战与纠错机制解析

著名物理学家回答关于量子计算挑战的三个问题，并解释为何对参与技术开发项目感到兴奋。

2020年9月10日

6月，某中心网络服务宣布，加州理工学院理论物理教授、国家量子计划顾问、量子信息科学领域最受尊敬的研究者之一John Preskill将以学者身份加入某中心的量子计算研究项目。量子计算是一种新兴技术，在某些计算问题上具有超越经典计算的巨大加速潜力——甚至是指数级加速。

在普通计算机中，一个比特可以取0或1的值，而量子比特（qubit）可以取0、1的值，或者处于称为叠加态的状态，即两者的组合。量子计算依赖于保持叠加和纠缠这两种状态，纠缠是一种脆弱的状态，其中量子比特的量子状态相互依赖。

位于加州理工学院校园内的某中心量子计算中心的目标是开发并构建量子计算技术，并将其部署到某中心云上。在该中心，Preskill将加入他的加州理工学院同事Oskar Painter和Fernando Brandao，他们分别负责某中心的量子硬件和量子算法项目，以及理论物理教授Gil Refael。

为某中心量子计算工作做出贡献的其他学者还包括斯坦福大学应用物理助理教授Amir Safavi-Naeini和芝加哥大学分子工程教授Liang Jiang。

问：量子计算为何如此困难？

困难之处在于我们需要硬件同时满足一组几乎不兼容的标准。

一方面，我们需要让量子比特几乎完全与外界隔离。但也不完全如此，因为我们需要控制计算。最终，我们必须测量量子比特，并且要能够告诉它们该做什么。我们需要一些控制电路来确定实际运行的算法。

那么为什么让它们与外界隔离如此重要？这是因为量子信息与用比特表示的普通信息之间有一个非常根本的区别：你无法在不干扰量子状态的情况下观察它。这是量子力学不确定性原理的表现。每当你获取关于量子状态的信息时，都会对状态产生一些不可避免、不可控制的干扰。

因此在计算过程中，我们直到最后要读取结果时才去观察状态。但即使我们自己不去观察，环境也在观察它。如果环境与编码我们正在处理信息的量子系统相互作用，那么就会有一些信息泄漏到外部，这意味着我们试图处理的量子状态会受到干扰。

所以我们确实需要让量子计算机几乎完全与外界隔离，否则它就会失败。它会出现错误。这听起来极其困难，因为硬件永远不可能完美。而这正是量子纠错概念发挥作用的地方。

这个概念的实质是，如果你想保护量子信息，必须通过我们称之为纠缠的方式以非常非局域的方式存储它。这当然是量子计算机魔力的起源。高度纠缠态的特性是，当状态在系统的多个部分之间共享时，你可以一次观察一个部分，但这不会揭示系统携带的任何信息，因为信息实际上存储在这些部分之间不寻常的非局域量子关联中。而环境与这些部分的相互作用是局部性的，一次一个。

如果我们以这种高度纠缠态的形式存储信息，环境就无法发现状态是什么。这就是我们能够保护它的原因。我们还找到了如何处理以这种高度纠缠、非局域方式编码的信息的方法。这就是量子纠错概念的工作原理。使其成本高昂的原因是，为了获得非常好的保护，我们必须让信息在多个量子比特之间共享。

问：今天的纠错方案可能要求将仅仅一个逻辑量子比特（实际参与量子计算的那个量子比特）的信息在数千个额外量子比特之间共享。如果你的目标是执行涉及数十个逻辑量子比特的计算，这听起来非常令人望而生畏。

这就是为什么我们尽可能希望在硬件本身而不是软件中融入抗错能力。我们通常考虑量子纠错的方式是，我们拥有这些有噪声的量子比特——这不是贬低它们：它们是我们在特定平台上拥有的最好的量子比特。但它们还不够好，无法扩展到解决真正困难的问题。因此，至少从理论上我们知道应该有效的解决方案是使用编码。也就是说，我们想要保护的信息被编码在许多量子比特的集体状态中，而不仅仅是单个量子比特。

但我们感兴趣的是探索另一种方法：尝试在硬件设计本身中使用纠错思想。我们能否使用在物理层面具有某种固有抗噪能力的编码？

做这件事的原始想法来自我的一位加州理工学院同事Alexei Kitaev，他的想法是你可以设计一种材料，它本身具有强大的量子纠缠。现在人们称这些为拓扑材料；它们的重要性在于它们是高度纠缠的。因此信息以这种非常非局域的方式散布，使得很难在局部读取信息。

制造拓扑材料是人们正在尝试做的事情。我认为这个想法仍然很出色，也许最终它会成为一个改变游戏规则的想法。但到目前为止，制造具有正确性质的材料实在太困难了。

目前更好的选择可能是做一些折衷。我们希望在硬件层面有一些保护，但不像这些拓扑材料那样极端。但如果我们能降低物理量子比特的错误率，那么我们就不需要在软件保护之上增加那么多开销。

问：对于像您这样的理论家来说，参与一个以开发新技术为目标的项目有什么吸引力？

我的训练背景是粒子物理和宇宙学，但在九十年代中期，我变得非常兴奋，因为我听说如果能够建造量子计算机，你就可以分解大数。作为物理学家，我们当然对经典系统和量子系统之间的根本区别感兴趣。我不知道有什么陈述比"有些问题在量子上容易而在经典上困难"更能戏剧性地表达这种差异。

情况是，当量子系统深度纠缠时，我们对发生的事情知之甚少，原因是我们无法在计算机上模拟它。我们的经典计算机就是做不到这一点。这意味着作为理论家，我们实际上没有工具来解释这些系统的行为。

我在这些量子纠错码方面做了很多工作。这几乎是我15年来的主要关注点之一。有许多原则性问题我认为很重要需要解决。比如，为了让这些东西工作，你真正需要了解关于噪声的什么？这仍然是一个重要问题，因为我们必须对噪声和硬件做出一些假设才能取得进展。

我说环境是局部地观察系统，一次一个部分。这实际上是一个假设。环境可以决定它想要如何观察它。作为物理学家，我们倾向于认为物理学是局部的，事物与附近的其他事物相互作用。但直到我们真正在实验室中做到这一点，我们才能真正确定这个假设有多好。

所以这是物理科学的新前沿，探索这些越来越复杂的多粒子系统以量子力学方式相互作用，变得高度纠缠。我有时称之为纠缠前沿。我对通过探索这一点我们能了解什么物理感到兴奋。我真的认为在某中心，我们正在展望重大挑战。我对此感到非常兴奋。