实时查找和消除量子计算错误

研究人员开发了一种方法，可以揭示量子计算机中错误的位置，使它们更容易纠正十倍。研究人员说，这将大大加速能够解决世界上最具挑战性的计算问题的大规模量子计算机的进展。

在普林斯顿大学的杰夫·汤普森（Jeff Thompson）的带领下，该团队展示了一种比以往任何时候都更容易识别量子计算机中何时发生错误的方法。这是量子计算硬件研究的一个新方向，它通常首先试图简单地降低错误发生的可能性。

量子计算的创新方法

最近发表在《自然》杂志上的一篇详细介绍新方法的论文。汤普森的合作者包括耶鲁大学的Shruti Puri和斯特拉斯堡大学的Guido Pupillo。

近三十年来，物理学家一直在发明新的量子比特——量子计算机的核心组件，并稳步改进这些量子比特，使其不那么脆弱，不容易出错。但是，无论量子比特有多好，有些错误都是不可避免的。量子计算机未来发展的主要障碍是能够纠正这些错误。但是，要更正错误，您首先必须确定是否发生了错误，以及它在数据中的位置。通常，检查错误的过程会引入更多错误，必须再次发现这些错误，依此类推。

量子计算机管理这些不可避免的错误的能力在很长一段时间内或多或少地停滞不前，根据电气和计算机工程副教授汤普森的说法。他意识到有机会偏向某些类型的错误。

“并非所有的错误都是平等的，”他说。

量子纠错的进展

汤普森的实验室研究一种基于中性原子的量子计算机。在定义计算机的超高真空室内，量子比特存储在单个镱原子的自旋中，这些镱原子由称为光镊的聚焦激光束固定在适当的位置。在这项工作中，由研究生 Shuo 马领导的团队使用一个由 10 个量子比特组成的阵列来表征错误发生的概率，同时首先单独操作每个量子比特，然后一起操作成对的量子比特。

他们发现这种系统的错误率接近最先进的水平：单个量子比特每次操作错误率为0.1%，量子比特对每次操作错误率为2%。

然而，该研究的主要结果不仅是低错误率，而且还是一种在不破坏量子比特的情况下表征它们的不同方法。与以前的工作相比，通过在原子内使用一组不同的能级来存储量子比特，研究人员能够在计算过程中监控量子比特，以实时检测错误的发生。这种测量会导致有错误的量子比特发出闪光，而没有错误的量子比特保持黑暗，不受影响。

此过程将错误转换为一种称为擦除错误的错误类型。Thompson说，在由光子制成的量子比特的背景下，已经研究了擦除错误，并且早就知道它比未知位置的错误更容易纠正。然而，这项工作是擦除错误模型首次应用于基于物质的量子比特。它遵循加州大学伯克利分校的汤普森、普里和西蒙·科尔科维茨去年提出的理论建议。

在演示中，大约56%的单量子比特错误和33%的双量子比特错误在实验结束前是可检测到的。至关重要的是，检查错误的行为不会导致更多的错误：研究人员表明，检查使错误率增加了不到0.001%。根据 Thompson 的说法，通过额外的工程设计可以提高检测到的错误比例。

重大成果和未来影响

研究人员认为，使用新方法，近98%的错误应该可以通过优化的协议检测到。这可以将实现纠错的计算成本降低一个数量级或更多。

其他小组已经开始采用这种新的错误检测体系结构。亚马逊网络服务（Amazon Web Services）的研究人员和耶鲁大学（Yale）的一个独立小组独立地展示了这种新范式如何利用超导量子比特改进系统。

“我们需要在许多不同的领域取得进步，以实现有用的大规模量子计算。系统工程的挑战之一是，你提出的这些进步并不总是建设性的。他们可以把你拉向不同的方向，“汤普森说。“擦除转换的好处在于它可以用于许多不同的量子比特和计算机架构，因此它可以与其他开发结合灵活部署。