IBM自述如何迎战噪声问题：通用量子计算的纠错之路
Jay Gambetta:IBM TJ Watson研究中心量子计算和信息科学家，负责IBM量子计算机的开发，并领导量子计算机云平台研发项目（图片来源：网络）
过去20年里，包括谷歌、微软、IBM等巨头在内的数百家公司纷纷宣布布局量子计算业务。迄今为止，量子计算行业投资已超50亿美元。所有这些行动都有一个共同目的——创造下一个全球量子科技大事件。
量子计算机使用在原子和亚原子级别上“管理”物质的“反直觉”规则，以传统或经典计算机无法实现的方式处理信息。专家预测，这项技术能够对药物发现、密码学、金融和供应链物流等不同领域产生影响。
2022年，美国银行研究部董事总经理Haim Israel宣称，量子计算将“比火的发现更伟大，比人类见过的所有革命都更伟大”。
然而，评估开发的量子计算机是否有用，可以归结为一个核心问题：能否处理噪声。量子系统的特性使它极易受到干扰，无论是由热产生的杂散光子、来自周围电子设备的随机信号还是物理振动。随之产生的噪声会对量子计算机造成严重影响，轻则产生错误，重则使其停止运行。与处理器的大小无关，除非杀手级应用程序可以抑制噪声，否则量子计算机永远无法超越经典计算机的性能。
多年来，研究人员认为他们也许短期内只能使用噪声电路，许多人都在寻找可在有限容量内实现有用性的应用程序。虽然进展并不顺利，但现在这可能不重要了。因为在过去的几年里，理论和实验的突破使得研究人员确信噪声问题可以得到解决。硬件和软件策略的结合有望抑制、减轻和清除量子错误。这不是一个很直接的方法，但确实可行，而且花费的时间可能比预期更少。
例如，赫尔辛基大学教授Sabrina Maniscalco研究了噪声对计算的影响。她说，十年前，她放弃了量子计算。“我认为量子计算确实存在一些根本性问题，不确定其是否会有出路，”她说。不过，她现在正致力于使用量子系统来设计光激活抗癌药物的改进版本，这些药物在较低浓度下有效，并且可以通过危害较小的光来激活。预计该项目距离成功只有两年半的时间。对于Maniscalco来说，“量子实用化”时代即将来临，对于某些任务而言，使用量子计算机的话，比经典计算机更有效率。“我对进入量子实用化时代的预期非常有信心，”她说。
量子计算云平台
这一突破性的时刻终于出现了。2000年代末到2010 年代初，开发和运行实用量子计算机的研究人员发现，它们产生的问题远比理论学家预期的要多得多。
对一部分人来说，这些问题似乎无法克服。但另一部分人，比如Jay Gambetta，却并不担心。
Jay Gambetta是澳大利亚格里菲斯大学物理学博士。2004年7月，他前往耶鲁大学研究光的量子特性。三年后到加拿大安大略省的滑铁卢大学工作，并得知IBM计划开发实用型量子计算机。2011年，他成为IBM公司的新员工。
Quantum System One是IBM的一款商用计算机，其使用类似吊灯的结构来冷却量子比特（图片来源：网络）
IBM的量子工程师一直忙于构建经典计算机二进制比特的量子版本。在经典计算机中，每一比特都如同一个电子开关，只存在两种状态，0或1。但在量子计算机中，一个“量子开关”可以同时代表0和1。量子比特的这种特性，以及它们与其他量子比特纠缠的存在，是造就革命性量子计算的关键。
加入公司一年后，Gambetta发现了IBM量子计算面临的一个问题：越来越多的人都看到量子计算机正在向好的方向转变。每当在会议上遇到物理学家同行时，他们都会要求Gambetta在IBM的量子计算机上测试一些最新想法。几年下来，Gambetta开始对大量请求疲于应对。“我觉得这样下去不是办法——不能再把大量时间用在替物理学家做实验上了”他说道。
Gambetta想到，最好能为物理学家找到一种自己操作IBM 量子比特的方法——例如通过云计算。提出这个想法后，IBM高层给Gambetta一年时间完成该项计划。
从几乎不知道云是什么，到成功创建出一套可以从世界任何地方访问量子计算机的界面，是一项艰巨的挑战，但Gambetta和他的团队做到了。 2016 年5月4日，世界上第一台使用5个量子比特构建的量子计算机云访问平台正式上线。
上线当天最令人担忧的是，努力研发的系统能否完成现实世界的任务。“当我们接到第一批云端任务，看到它们在量子计算机上顺利执行ping命令，并未出现bug时，才算真正松了一口气。”
基于云的量子计算一炮而红。第一周就有7000人注册，截至到当月月底已有 2.2万名注册用户。然而，所有研发者都清楚，量子计算存在一个重大问题。
该领域的最终研发目标是让数十万甚至数百万个量子比特协同工作。但是，当研究人员通过几个量子比特一起工作来测试量子计算机时，许多关于它们会产生多少噪声的理论假设被证明是严重错误的。
噪声的存在总是无法完全避免的。由于无法保证量子计算机一直处在绝对零度的环境下运行，热辐射始终存在，因此所有研究都预计量子比特会受到一些随机和非随机撞击。控制电子设备中的温度变化会产生噪声，应用能量脉冲将量子比特置于正确的状态会产生噪声。最糟糕的是，当向一个量子比特发送控制信号时，会在附近其他的量子比特中产生噪声。澳大利亚悉尼大学量子控制实验室主任Michael Biercuk表示：“你正在操纵一个量子比特，而另一个量子比特会感受到它的变化。”
当量子算法在十几个量子比特上运行时，其性能始终令人震惊。在2022年的一项评估中，Biercuk带领团队计算了在噪声破坏量子比特中保存的信息并迫使计算偏离轨道之前算法成功运行的概率。例如，已知正确答案的算法运行3万次，但正确答案可能只返回3次。
虽然结果令人失望，但这个过程很有意义。“人们通过实际使用量子计算机了解了更多关于它的知识，”Biercuk说。“我们发现了很多没人知道的事情，或者他们知道却没有办法解决的事情。”
量子计算机纠错
研究人员现在已经团结了起来，并提出了一套可以协同控制噪声的解决方案。
一般来说，解决方案可以分为三类。
第一类是错误抑制。这是通过经典软件和机器学习算法来实现的，这些算法不断分析电路和量子比特的行为，然后重新配置电路设计和给出指令的方式，以便更好地保护量子比特中保存的信息。这是Biercuk的公司 Q-CTRL 所做的事情之一。该公司表示，错误抑制可以使量子算法产生正确答案的可能性提高1000倍。
第二类，错误缓解。并非所有错误都会导致计算失败，许多只会使计算偏离轨道。通过观察噪声在运行特定算法的特定系统中产生的错误，研究人员可以将一种“抗噪声”方法应用于量子电路，以减少计算和输出过程中产生错误的次数。“这种技术类似于使用降噪耳机带来的效果，但这并不是一个完美的解决方案。例如，它依赖于算法多次运行，不但增加操作成本，而且算法仅可用于估计噪声。尽管如此，但它确实能减少输出错误，”Gambetta说。
Maniscalco是Algorithmiq公司的首席执行官，该公司通过自研方法在计算完成后清除噪声。Maniscalco说“它基本上消除了后处理中的噪音，在相当大的范围内发挥了良好作用。”
最后一类是“量子纠错（QEC）”，这种方法取得的成就越来越多。QEC不是将一个量子比特的信息保存在一个量子比特中，而是将其编码在一组量子比特的量子态中。其中任何一个由噪声引起的错误都不会像由单个量子比特保存的信息那样造成灾难性后果。通过监视每个附加量子比特，可以检测到任何信息的变化并在其变得不可用之前纠正它。
长期以来，QEC一直被认为是实现大规模、含噪声量子计算的关键步骤之一。问题是，QEC开发成本巨大。黄金标准纠错架构（表面代码）中，保护1个有用的逻辑量子比特就至少需要13个物理量子比特。将逻辑量子比特连接在一起时，这个数字还会膨胀：打造一台实用的量子计算机的可能需要1000个物理量子比特。
然而，现在有更多的研究证明不必过多担心。例如，2022年7月，谷歌的研究人员发布了一种表面代码，当更多的量子比特连接在一起时，它们会表现出更好的性能。
表面编码的替代方案也在获得论证。2023年8月，包括Gambetta在内的IBM团队展示了一种纠错技术，可以使用额外的276个量子比特来控制12量子比特存储电路中的错误，这比表面代码所需的数千个量子比特更具优势。
9月，另外两个团队使用超导电路和离子阱处理器，展示了对名为CCZ门的容错电路的类似改进方案。
在研发小规模噪声处理器时，很多想法被证明是无法实现的，这种时候，能见证众多类型含噪声处理技术的蓬勃发展，是一件极为鼓舞人心的事。
目前，商用量子计算机尚未研发出实用的纠错方案（并且通常不能在计算过程中实现实时管控）。但Biercuk认为量子计算取得了很大进展。“我们的研究工作现在进展顺利，不存在根本无法解决的问题。”
技术创新与硬件性能的全面改进同时推进，这也意味着运行量子比特的基础错误越来越少，并且每个处理器上的量子比特数量的增加，使得规模更大、更实用的计算成为可能。Biercuk表示，预计他很快就能选用量子计算机而不是性能最好的经典计算机来完成工作。
“看看高性能计算中心每天都在做什么？”芬兰量子计算机提供商IQM的首席技术官兼联合创始人Kuan Tan说道。“正在巨量耗电的科学计算都可以通过量子计算机来实现，如此消耗的电力则要少得多。”量子计算机不必比任何其他类型的计算机都更好才能吸引付费客户。它只需在性能上具有可比性并且运行成本较低即可。Kuan Tan预计他们将在未来3到5年内实现量子优势。
编译：Brightny
编辑：慕一
特此说明：量子前哨翻译此文仅作信息传递和参考，并不意味着同意此文中的观点与数据。
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