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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(jì)算領(lǐng)域，利用量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行大規(guī)模計(jì)算可能需要基于量子糾錯(cuò)碼的容錯(cuò)架構(gòu)，其中面臨的挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)一種使用適度資源即可有效對(duì)抗實(shí)際噪聲的實(shí)用量子糾錯(cuò)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(duì)對(duì)一些常用的量子糾錯(cuò)碼進(jìn)行了簡(jiǎn)單但優(yōu)雅的更改，將它們的糾錯(cuò)能力提升了一倍，從而縮短了實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的進(jìn)程。在此之前，這種常用的糾錯(cuò)碼已經(jīng)被研究了近 20 年。

隨后，他們?cè)?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(jì)算碼。

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

AWS 高級(jí)量子研究科學(xué)家 Earl Campbell 表示，「在量子計(jì)算領(lǐng)域取得任何真正、實(shí)際的效益之前，我們有大量的工作要做。但是，Bonilla 等人的這項(xiàng)研究令我驚訝，我沒(méi)想到量子糾錯(cuò)碼的微小變化會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)性能產(chǎn)生這么大的影響。」AWS 量子計(jì)算中心團(tuán)隊(duì)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(qiáng)大的計(jì)算技術(shù)更加接近現(xiàn)實(shí)。

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

量子糾錯(cuò)

經(jīng)典計(jì)算機(jī)利用晶體管（可以理解為「開(kāi)關(guān)」）運(yùn)行我們的手機(jī)、筆記本等各種設(shè)備，出錯(cuò)的概率非常小。但是，量子計(jì)算機(jī)中的「開(kāi)關(guān)」（即量子比特）對(duì)外部環(huán)境的干擾（噪聲）卻非常敏感。

為了讓量子計(jì)算機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，研究者需要制造出大量高質(zhì)量的量子比特。具體實(shí)現(xiàn)方法包括：改進(jìn)機(jī)器，減少噪聲，或利用機(jī)器的某種能力將量子比特錯(cuò)誤抑制在某一閾值以下。

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

量子錯(cuò)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(shí)候；還有一種叫做 Z-error，屬于相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤；二者結(jié)合便產(chǎn)生了 Y-error。

杜克大學(xué)量子糾錯(cuò)專(zhuān)家 Kenneth Brown 介紹說(shuō)，「在量子糾錯(cuò)中，我們通常假設(shè) X-、Y-、Z-error 是等可能的。然而，真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻并非如此。」

Bonilla 所做的工作就是在每一秒都重新調(diào)整糾錯(cuò)碼的一部分。這種碼被稱(chēng)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(pán)

為了便于理解，我們可以把 surface code 想象成一個(gè) 國(guó)際象棋棋盤(pán)。在其最初的設(shè)計(jì)中，黑色方塊用于檢測(cè) Z-error，白色方塊用于檢測(cè) 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(cè)不那么常見(jiàn)的 X-error 顯得非常浪費(fèi)。

Bonilla 設(shè)計(jì)的計(jì)算碼打破了這種設(shè)計(jì)，將一半的量子開(kāi)關(guān)進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)，使每一個(gè)方塊都能用于檢測(cè)兩種錯(cuò)誤。這種計(jì)算碼被稱(chēng)為「XZZX」碼，顯示了對(duì) surface code 的重新設(shè)計(jì)。

XZZX surface code 示意圖。

「XZZX」計(jì)算碼的容錯(cuò)閾值。

Brown 教授表示，「XZZX 碼非常了不起，因?yàn)樗ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單的局部變換就能為所有 X、Z 錯(cuò)誤不均的情況提供最佳解決方案。」

耶魯大學(xué)量子研究項(xiàng)目助理教授 Shruti Puri 表示，她的團(tuán)隊(duì)對(duì)在工作中使用新計(jì)算碼很感興趣。

「這種計(jì)算碼的優(yōu)雅讓人眼前一亮。它的卓越糾錯(cuò)特性來(lái)自于對(duì)原碼的簡(jiǎn)單修改，而后者我們已經(jīng)研究了近 20 年。」Puri 說(shuō)道，「這與耶魯和其他機(jī)構(gòu)正在開(kāi)發(fā)的新一代量子技術(shù)極為相關(guān)。我相信，有了這套計(jì)算碼，我們可以大大縮短實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的時(shí)間線(xiàn)。」

該研究的合著者、物理學(xué)院的 David Tuckett 博士表示，「這有點(diǎn)像和量子對(duì)手玩海戰(zhàn)棋。從理論上來(lái)說(shuō)，他們可以把船放在棋盤(pán)的任何地方。但在玩了數(shù)百萬(wàn)場(chǎng)后，我們已經(jīng)掌握了他們的一些布局規(guī)律。」「從實(shí)驗(yàn)中我們知道，Z-error 要比 X-error 常見(jiàn)得多。根據(jù)這一特性，Pablo 重新設(shè)計(jì)了 surface code，大大提高了其抑制錯(cuò)誤的能力。」

實(shí)用價(jià)值

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

「對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)期從事 2D 芯片設(shè)計(jì)的行業(yè)來(lái)說(shuō)，讓新計(jì)算碼在一個(gè)二維表面上工作有著非常理想的應(yīng)用價(jià)值。」

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(tái)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)有點(diǎn)像萊特兄弟要造飛機(jī)，我們現(xiàn)在甚至還沒(méi)離開(kāi)過(guò)地面。」

「實(shí)驗(yàn)人員正在生產(chǎn)用來(lái)造飛機(jī)的堅(jiān)固、輕便材料，而我們剛剛為機(jī)翼貢獻(xiàn)了一個(gè)更符合空氣動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)，它有更大的升力。我們的設(shè)計(jì)可能會(huì)幫助大規(guī)模量子計(jì)算起飛。」