在 2022 年 8 月 9 日發(fā)表于《自然通訊》期刊上的一篇文章中，由普林斯頓大學(xué)的電氣與計(jì)算機(jī)工程副教授 Jeff Thompson 帶領(lǐng)的一支研究團(tuán)隊(duì)，詳細(xì)介紹了一種可讓量子計(jì)算機(jī)更有效糾錯(cuò)的新方法。據(jù)悉，盡管量子計(jì)算機(jī)具有化解傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以搞定的復(fù)雜問題的巨大潛力，但要求極高的敏感運(yùn)行條件，也成為了影響量子計(jì)算機(jī)普及的一大阻礙。

研究配圖 1 - 采用擦除轉(zhuǎn)換（erasure conversion）容錯(cuò)中性原子的量子計(jì)算機(jī)概述

在手機(jī)上，工程師們只需通過精細(xì)調(diào)節(jié)來搞定數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)的雜波濾除。但利用亞原子粒子的獨(dú)特量子糾纏行為，也意味著即使想要檢查量子計(jì)算機(jī)中是否存在缺陷，也可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。

好消息是，匯集了普林斯頓大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程副教授 Jeff Thompson、耶魯大學(xué)研究合著者 Yue Wu 與 Shruti Puri、以及威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的 Shimon Kolkowitz 跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，剛剛提出了一套新方法。

論文宣稱他們能夠顯著提升量子計(jì)算機(jī)對(duì)故障的容忍度，減少隔離和修復(fù)錯(cuò)誤所需的冗余信息量。通過將可接收的錯(cuò)誤率從 1% 提升到 4%，四倍進(jìn)步意味著該方案也適用于當(dāng)前正在開發(fā)的量子計(jì)算機(jī)。

Jeff Thompson 表示：“量子計(jì)算機(jī)面臨的基本挑戰(zhàn)，就是操作環(huán)境不能嘈雜，否者設(shè)備就容易陷入無數(shù)錯(cuò)誤的失效模式”。

研究配圖 2 - 門誤差模型和模擬性能

對(duì)于采用二進(jìn)制（0 和 1）的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，錯(cuò)誤頂多是兩個(gè)比特位發(fā)生了翻轉(zhuǎn)、或者像兩臺(tái)無線路由器產(chǎn)生了干擾一樣混亂。

處理此類故障的常用方法，就是留足冗余的量，以便將每條數(shù)據(jù)和重復(fù)副本進(jìn)行比較 —— 但是此舉也增加了所需準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)量，同時(shí)也存在著制造更多錯(cuò)誤的可能。

正因如此，該方案只能在絕大多數(shù)信息可確保正確時(shí)才能生效。否則基于錯(cuò)誤數(shù)據(jù)來檢查錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，只會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)陷入更大的混亂。

Thompson 指出 ——“如果基線錯(cuò)誤率太高，那冗余就是一個(gè)糟糕的策略選擇”。為此，該團(tuán)隊(duì)并未專注于減少錯(cuò)誤的數(shù)量、而是讓錯(cuò)誤更加凸顯。

通過深入研究錯(cuò)誤的實(shí)際物理成因來設(shè)計(jì)系統(tǒng)，他們得以有效地消除最常見的錯(cuò)誤來源、而不是簡單地破壞損壞的數(shù)據(jù)。

這種行為代表了一種被稱作“錯(cuò)誤擦除”的特殊錯(cuò)誤，本質(zhì)上這種錯(cuò)誤比損壞了、但看起來與所有其它數(shù)據(jù)一樣的數(shù)據(jù)，更容易被糾錯(cuò)機(jī)制給清楚掉。

研究配圖 3 - 存在擦除錯(cuò)誤時(shí)的電路級(jí)錯(cuò)誤閾值

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，如果一包所謂的冗余信息出現(xiàn)為 11001 。那么假設(shè)稍微更普遍的 1 是正確的、而 0 是錯(cuò)誤的，就有可能造成誤判的風(fēng)險(xiǎn)。但若信息是 11XX1，出錯(cuò)比特位就更容易被曝光了。

Thompson 表示：“這些擦除錯(cuò)誤更容易被糾正，因?yàn)槟阒浪鼈兙驮谀抢铩Ｋ鼈兛杀慌懦诙鄶?shù)票之外，這就是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)”。

問題在于，盡管在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上這么做很好理解。但研究人員此前從未想過將它照搬到量子計(jì)算機(jī)上，以將錯(cuò)誤轉(zhuǎn)換為擦除。

讓人感到欣喜的是，他們提出的系統(tǒng)方案，能夠承受高達(dá) 4.1% 的錯(cuò)誤率 —— 這完全處于當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)可適用的范圍內(nèi)。

相比之下，之前的先進(jìn)系統(tǒng)，最多也只能處理不到 1% 的錯(cuò)誤率 —— 意味著擦除轉(zhuǎn)換較競(jìng)爭(zhēng)方案更抵近量子系統(tǒng)能力的邊緣。

研究配圖 4 - 低于閾值的邏輯錯(cuò)誤縮放

錯(cuò)誤擦除機(jī)制證明了 Thompson 多年前做出選擇的一個(gè)意想不到的好處，他在研究中探索了“中性原子量子比特”，其中量子比特信息被存儲(chǔ)到了單個(gè)原子上。

為此，他們首先挑中了鐿（Yb）元素 —— 部分原因是它的最外層只有兩個(gè)電子，而大多數(shù)其它中性原子量子比特只有一個(gè)。

Thompson 將之視作一把瑞士軍刀，而鐿正好是一款更壯實(shí)的型號(hào)。擁有兩個(gè)電子所帶來的額外復(fù)雜性，為系統(tǒng)提供了諸多獨(dú)特的工具、并且在錯(cuò)誤消除上尤為實(shí)用。

研究團(tuán)隊(duì)提議將鐿中的電子從穩(wěn)定“基態(tài)”泵浦到激發(fā)的“亞穩(wěn)態(tài)”—— 這種激發(fā)態(tài)可在適當(dāng)條件下長期存在，但本質(zhì)上又是相當(dāng)脆弱的。

但與直覺相反的是，研究團(tuán)隊(duì)卻建議利用這一特性，對(duì)量子信息進(jìn)行編碼。Thompson 將之比作“讓電子走鋼絲”，且精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)會(huì)讓導(dǎo)致出錯(cuò)的相同因素，將電子也從鋼絲繩上抖落下來。

（來自：Nature Communications）

一旦它們回落至穩(wěn)定的基態(tài)，電子就會(huì)以一種非常明顯的方式散射光。因此將光照射在鐿量子比特的集合上，只會(huì)導(dǎo)致有缺陷的量子比特被點(diǎn)亮、意味著這部分錯(cuò)誤需要被擦除掉。

綜上所述，這支跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)的密切合作，融入了對(duì)量子計(jì)算硬件和糾錯(cuò)理論的獨(dú)到見解。此外設(shè)計(jì)量子比特以產(chǎn)生可擦除錯(cuò)誤的設(shè)想，也有望在其它系統(tǒng)的打造過程中扮演關(guān)鍵的角色。

目前 Thompson 團(tuán)隊(duì)正致力于在一臺(tái)結(jié)合了數(shù)十個(gè)量子比特的小型量子計(jì)算機(jī)上，更進(jìn)一步地演示如何運(yùn)用這套錯(cuò)誤轉(zhuǎn)換擦除方案。

有關(guān)這項(xiàng)研究的全文，還請(qǐng)移步至《自然通訊》期刊去查看，原標(biāo)題為《Erasure conversion for fault-tolerant quantum computing in alkaline earth Rydberg atom arrays》。

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