来源:返朴
];7/DM#Np \EC7*a0 撰文:Adrian Cho
hcJny RI0+9YJ 翻译:无邪(量子计算领域从业人员)
noSBwP|v* bqI| wGCA" 译者按
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Science的这篇科普稿发表于一个月前,事实上国内媒体早已经将其翻译过来介绍给国内的同行和爱好者。我一时兴起决定再译一遍,一方面是
希望加深一下自己的印象,另一方面也希望将某些略显晦涩的地方讲的更清晰一些。不过译完之后,我感觉大概我的第二个希望会落空。量子纠错基于量子纠缠,而纠缠的确是一个极难讲清的概念,稍有不慎往往让读者更为迷惑,抑或浮想翩翩,这都是量子方面的科普人所不愿见的。
F qH@iZ zrazFI0G 我们的确生活在一个伟大的时代,前人穷尽思虑也想不到的事物,如今像泉涌般喷薄而出。量子计算显然是其中之一。Peter Shor设计他的量子算法时,恐怕只是作为一个数学玩具而已,如今却眼看要在我辈有生之年内成为现实。就在去年,Google发布了轰动一时的“Sycamore”芯片并演示了“量子霸权”,为量子计算
发展史留下浓重一笔,一时间褒贬齐飞,这个事件甚至让我有幸登上一次直播台,真真是件极有意思的事情。本文对于“量子霸权”这件事,感觉是有点“颇不以为然”的。倒不是说量子霸权这个实验演示本身有何问题,或者重要性不够,而是相比本文围绕的量子纠错这一挑战而言,有点不足为道。然而量子纠错这个词汇,却远不如量子霸权来得霸道,有冲击力,所以
作者耐心地讲解了开发切实的量子纠错方案有多难,其用心可谓良苦。
Z:kX9vw. nv-_\M 几个月前我还译了《福布斯》杂志对Google量子技术核心人物Martinis的专访,有一个地方我印象很深:Martinis教授对他解决了量子芯片设计中的连线问题感到很自豪,但另一位理论物理学家也提出了一个连线方案,Martinis凭实验者的视角认为不可行,但Google却最终支持了那个方案,令他大为失望。我当时内心苦笑道:“连线问题的重要性,似乎只有真正做的人才有所体会。但“解决了连线问题”的话题性与“量子霸权”相比不啻霄壤。
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L,El2 联系到这里,量子纠错的话题性同样远不如“量子霸权”,但对于实用化量子计算而言,量子纠错的重要性比之量子霸权确实如泰山之于土丘。我们确实有必要向关注量子计算的人们传递这一概念,加深这一概念,以免哪天科学家们克尽艰难征服了量子纠错,对外界发出呐喊的时候,吃瓜群众却个个摆出萌懵脸。当然,我更希望科技
战略制定者能体会到其重要性,能够准确把握国内量子计算推进的方向,使我国量子计算事业立于世界之巅,为国家、为人类做出不世之贡献!
:978D0}{p ANWUo}j "PtOe[Xk 2019年10月,Google的研究人员高调地对外发布了其量子计算原型机,并以压倒性优势解决了一个目前最好的超级计算机难以解决的问题。很多人认为这是一个里程碑,即所谓“量子霸权”,它标志着量子计算时代黎明的到来。对这件事,一位来自加州大学戴维斯分校的数学家Greg Kuperberg,却颇不以为然。他是一位量子计算的专家,按照他的说法,Google本应该将目标设定在一件尽管不那么耀眼,但却远为重要的事情上。
9xZ?}S:d @K}8zMmW# 量子纠错:比量子霸权远为重要的事情 h"849c;C. ?D]qw4 J 不管是计算你该交多少税,还是玩超级马里奥,我们的计算机总是在长长的0、1比特串上施展魔法。而量子计算却是在量子比特,或者叫qubit上展示魔力。量子比特可以同时处于0和1,就像你同时坐在长沙发的两头那样。它们可以在离子、光子或者微小的超导电路中实现,这种两能级系统赋予了量子计算超强的能力。不过,量子比特同时也是很脆弱的,与周围
环境发生哪怕极微弱的相互作用也会导致它们发生改变。所以,科学家们必须学会如何去纠正这些错误,而这正是Kuperberg寄望于Google之所在——Google应该朝这一目标迈出关键一步。“这是一个更有意义的基准”,他这样说道。
o<f|jGY0 "~=\AB=+Z 当专家们质疑Google的量子霸权实验的重要性时,他们都会强调量子纠错的重要性。Chad Rigetti是一位物理学家,同时也是Rigetti公司的联合创始人,他说:“这差别真的非常大,就像你花了一亿美元,是建了一台10000个量子比特组成的随机噪声发生器,还是一台世界上威力最大的计算机。”在这关键的第一步上,大家都同意Kuperberg的观点:将通常编码在躁动不安的单一量子比特上的信息,以某种形式分散到一群量子比特里去,从而能够在噪声纷扰下依然保持信息的完整性。德州大学奥斯汀分校的计算机科学家Scott Aaronson解释说:“你要建的船还是那艘船,尽管上面的每块木板都已朽烂,到了必须要更换的地步。”
DNp4U9 TkjPa};R L|pJ\~ 如果一艘船的木板随着时间流逝逐渐腐烂并被替换,直到所有的部件都不是最开始的那些,它依旧是原来的船吗?这是一个古老的思想实验,被称为“特修斯之船”,哲学家们对此有着不同的答案。量子纠错的机制与此类似,一个逻辑量子比特的信息分散在众多物理量子比特中,不过问题的答案却是肯定的,即使物理量子比特受到扰动,逻辑比特中的信息完整性仍得以保持。
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量子计算的早期领头羊——Google、Rigetti和IBM——都已经将视角转到了这一目标上。Google量子人工智能实验室的负责人Hartmut Neven说道:“这(量子纠错)非常确定是下一个重要的里程碑”。而IBM量子计算事业的领导人Jay Gambetta则说:“接下来几年内,你们会看到我们在解决量子纠错问题上的一系列成果。”
Mz:t[rfs r\f|r$i 物理学家们已经开始在小规模实验他们的量子纠错方案了,但是面临的挑战仍极艰巨。为了演示量子霸权,Google的科学家已经与53个量子比特大战三百回合;然而,要想将数据以足够高的保真度编码到一个量子比特中(即实现量子纠错的逻辑量子比特),他们或许需要征服1000个这样的比特。
}RPeAcbU_ _3{,nhkf:! 追寻量子计算机 -mPrmapb3 7iM;X2=7} 量子计算机的追寻之路启于1994年。当时麻省理工学院的一位数学家Peter Shor展示了一种尚处于假想中的机器,它可以快速地对一个大数进行因式分解。得益于量子比特的两能级系统,Shor算法用量子波函数来表示一个大数可能的分解方式。这些量子波可以同时在量子计算机所有的量子比特中波动,它们相互干涉,导致错误的分解形式相互抵消,最终正确的形式鹤立鸡群。现在保护着
互联网通信的密码系统正是建立在一个基本事实之上,即搜索大数分解形式是常规计算机几乎不可完成的,因此运行Shor算法的量子计算机可以破解这一密码系统。当然,这只是量子计算机能做的很多事情之一。
% m0x] 69tT'U3vb$ 但是,Shor假设每个量子比特都能够完好地保持其状态,这样量子波只要有必要就可以左右荡漾。真实的量子比特则远没有这么稳定。Google、IBM和Rigetti采用的量子比特都由超导金属刻蚀而成的微纳谐振电路构成。目前已经证明,这种比特比其他类型的量子比特更易于操控和电路集成。每个电路有两个确定的能态,我们可以分别记为0和1。通过在这个电路上施加微波,研究者就能使它处于其中一个状态,或者两个状态的任意组合——比如说30%的0和70%的1。但是,这些“中间态”会在极短的时间内弥散,或者说“退相干”。甚至在退相干发生之前,噪声就可能会“冲撞”并改变这些量子态,让计算结果“出轨”,朝不想要的方向演化。
7J$5dFV2 wG2-,\: 操纵一个量子比特 Q{))+'s2h 'h~I#S4! 不同于常规比特必须处于0或1,量子比特可以同时处于0和1的任意组合状态。量子态的这种组合可以通过一个抽象的角度,或者叫相位来描述。这样,量子比特的状态就像地球仪上的一个点,它的纬度表示量子比特有多少在0,多少在1,它的经度则表示相位。噪声会以两种基本的方式“冲撞” 量子比特,并让这个点在球面上的位置发生改变。其中比特翻转对应0和1发生交换,而相位翻转对应于相位变化180度。
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!o5 来源:C. BICKEL/SCIENCE
R$xk cg2( {V*OYYI`R 这些噪声几乎淹没了Google量子霸权实验中的信号。研究人员一开始设置53个量子比特以编码所有可能的输出,从0到253。然后在量子比特上执行一组随机选择的两比特门操作,重复很多次,使某些输出结果的概率高于其他结果。研究者说,考虑到相互作用(两比特门)的复杂性,超级计算机需要数千年才能计算出最终的输出模式。于是,通过这一测量,量子计算机就做了一件任何经典计算机都难以匹敌的事情。不过,这一结果仅仅非常勉强地与噪声引起的量子比特随机翻转结果有所区分。“他们的演示中99%是噪声,仅1%是信号”,Kuperberg说。
k w]m7T eHy.<VX 为了实现最终梦想,开发者希望量子比特能够像常规计算机中的比特那样可靠,正如Neven所说:“我们想要拥有一个保持相干性直到你关机为止的这么一个量子比特。”
ZPolE_P7 #&jr9RB 从经典纠错到量子纠错 9'S~zG%{ Uk0]A 科学家们将一个量子比特——一个“逻辑量子比特”的信息分散到很多物理比特中去的方法,可以追溯到上世纪五十年代开发早期经典计算机的时代。早期计算机中的比特由真空管或者机械继电器(开关)组成,他们有时候会毫无征兆地发生反转。为了克服这个问题,著名数学家冯·诺伊曼(John von Neumann)开了纠错之先河。
dtT2h>h9 DHO+JtO 冯·诺伊曼的方法利用了冗余。假设一个计算机对每个比特做了三份拷贝,那么即便其中一个翻转了,多数比特仍然保持着正确值。计算机可以通过对这几个比特做两两比对来找到并修正错误比特,这种方法被称为奇偶校验。比如说,如果第一个和第三个比特相同,但第一个和第二个、第二个和第三个都不同,那么最有可能第二个比特翻转了,于是计算机就把它再翻回来。更大的冗余意味着更大的纠错能力。有意思的是,刻在微芯片上的晶体管,也就是现代计算机用来编码其比特的器件竟是如此的可靠,以至于纠错还真用得不多。
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但是量子计算机不得不依赖于此,至少对超导量子比特构成的量子计算机而言如此。(由单个离子构成的量子比特受噪声影响更小,但更难集成。)量子力学原理本身又让这一工作变得更为艰难,因为它剥夺了最简单的纠错工具——复制。在量子力学中,不可克隆定理告诉我们,不可能在不改变量子比特原始状态的情况下将其状态复制到其他量子比特上。谢菲尔德大学的一位理论物理学家Joschka Roffe说:“这就意味着我们不可能直接将经典的纠错码转换成量子纠错码。”
TR([u JHCV7$RS 简单的纠错 lS:R## B>TI dQ 在传统计算机中,一个比特就是一个可以被设置为0或1的开关。为了保护一个比特,计算机可以将它复制到其他比特上。如果噪声引起某个拷贝发生了翻转,通过做奇偶校验,计算机就能定位到错误:将一对比特进行对比,看它们状态相同还是不同。
6"UL+$k dS[="Set 来源:C. BICKEL/SCIENCE
H@R2mw fpK` 更糟糕的是,量子力学还要求研究者蒙眼找错误。尽管量子比特可以处在0和1的叠加态上,但根据量子力学,实验者不可能在不引起塌缩的情况下测量这一叠加态,测量总导致量子态向0或1中的某个状态塌缩:测量一个态就会消灭一个态!Kuperberg说:“最简单的纠错方法(经典纠错)就是把所有比特
检查一遍,看看哪里出错了。但如果是量子比特,你就必须在不看它的情况下找出错误来。”
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r Z" !+p{u 这些障碍可能听起来难以逾越,但量子力学又指出了可能的解决方案。研究者虽然不能复制一个量子比特的态,但他们可以将其扩展到其他比特上去,利用一种难以理解的量子关联——量子纠缠。
68v59)0U c6NCy s 量子纠错如何实现? >|e>= 9v2(cpZ 如何实现纠缠,正显示了量子计算有多微妙。在微波的激励下,一个初始量子比特与另一个处于0态的比特通过一个“控制非”(CNOT)门操作发生相互作用。当第一个量子比特处在1态时,CNOT门改变第二个比特的状态,而当第一个比特处于0态时,则保持第二个比特不变。尽管有相互作用,但这个过程并没有对第二个量子比特做测量,因此不会迫使它的量子态塌缩。相反,这个过程保持了第一个量子比特的双向态,并同时处在改变和不改变第二个量子比特的状态,总之,它让两个量子比特处在了同时为0和同时为1的叠加态。
[Y^1}E* / Dn 举例来说,如果初始的量子比特处于30%的0和70%的1的叠加态,我们可以将它与其他比特连成一个链,比如三个量子比特共享一个纠缠态,其中30%为全0,70%为全1。这个态与初始比特的三个拷贝构成的态是不同的。实际上,这三个纠缠的量子比特串中的任何一个比特独自来看都没有一个确切的态,但它们完全关联起来了:如果你测量第一个比特而它塌缩到了1,那么另外两个比特一定也同时塌缩到了1;反之亦然,如果第一个塌缩到了0,其他两个也同时塌缩到了0。这种关联是纠缠的本质所在。
\jcEEIEi 4{1.[##]o 在这样一个更大的纠缠态中,科学家们现在就可以留心错误的发生了。为了做到这点,他们继续将更多的“辅助”量子比特与这个三比特链纠缠起来,一个与第一、第二比特纠缠,另一个则与第二和第三比特纠缠。之后再对辅助量子比特进行测量,就像经典比特中的奇偶校验那样。比如说,噪声可能将原先的三个编码比特中的一个翻转了,于是它的0和1部分调换了,改变了它们之间潜在的关联性。如果研究者把事情做好,他们可以在辅助量子比特上做“稳定器”测量以探测这些关联。
;PrL)! ?fXlrJ 尽管测量辅助量子比特导致了它们状态的塌缩,但并没有对编码比特造成影响。“这是经过特别设计的奇偶校验测量,它不会导致编码在逻辑态中的信息塌缩”,Roffe说。举例来说,假如第一个辅助比特的测量结果为0,它只说明了第一和第二编码比特的状态一定相同,但并没告诉我们它们到底处在哪个态,而如果辅助比特测量结果为1,则表明编码比特肯定处于相反的态,仅此而已。如果能在量子比特态趋于弥散之前迅速找到发生翻转的比特,那就可以用微波将它再翻回原来的态并恢复其相干性。
1q[vNP=g& +^6v%z 量子修正更困难 :i24@V~){ P=jbr"5Q: 量子力学原理使得直接通过复制并测量量子比特(上)并检测错误不可行。物理学家想到的替代办法是将量子比特的态通过纠缠(中)分散到其他量子比特中去,然后监测这些量子比特来探测错误,发现错误后再通过操控让错误比特回到正确的态(下)。
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