量子计算有望解决古典机器无法解决的问题,但实用、大规模设备的路径却因方位的脆弱性而受阻。 环境噪音、物质缺陷和管制不准确性引入了很快破坏计算的错误。 克服这种脆弱性需要能够比积累更快发现和纠正错误的耐过失硬件和软件。 全世界的研究人员正在推行一系列创新战略 — — 从地形方位到表面代码和减轻错误的电路 — — 以使量子计算机足够可靠,便于现实世界应用。

量子计算中理解错觉的容忍度

量子计算中的错容性是系统即使在物理组件——qubits或闸门——出错时仍能继续产生正确结果的能力。这比经典错误校正困难得多,因为qubits是模拟的,并且可能遭受连续错误(例如相位移或振幅坝). 此外,任何测量或相互作用,检测错误都可能扰乱量子状态. Quantum错误校正(QEC) 通过在多个物理位点上编码逻辑信息来解决这个问题,使用缠绕状态的多个物理位点上进行编码. Quter 代码使用9个物理位点来保护一个逻辑位点; Steane 代码使用7个. 现代方法,例如表面代码使用许多类的qubits,但提供较高的阈值——在校正失败前,它们可以容忍相对较高的错误率。 错误校正(QEC) 阈值的概念是中心: 低于每个门的一定错误率(对于一些代码来说通常大约1%), 添加更多的quits实际上降低了整体逻辑错误率。 低于这个阈值, 量计算在理论上可以无限地提升。 Qor 。

创新的过失容忍办法

地形量子错误校正

地形学方法将许多体系的全球特性信息编码,例如将任何元编织成二维纬度。因为这些特性不受局部扰动的影响,地形学方位可以提供防止某些类型噪音的固有保护。最广泛研究的地形学方法是表面编码,但研究人员也在探索更多的异形地形材料,包括分量量霍尔系统和地形绝缘器。最近在Delft和微软的实验显示Majorana 0模式的签名——是它们自己的尖端粒子——这些模式可以使地形保护的方位成为元。理论上的优势是,地形方位要求每个逻辑方位的物理方位比常规方位要少得多,从而大幅度降低间接费用。然而,在实验室中创建和操纵这类国家仍然极具挑战性。当前的工作侧重于建立稳定的地形层层层,并发展高纤维化的布局操作。

表面代码和逻辑方位

表面代码在2D方块上安排物理qubits,其中每个顶点代表一个qubit,每个面(plaquette)用于通过稳定器测量检测错误。这种设计具有吸引力,因为它只需要最近的邻接相互作用,这与许多量子硬件平台(超导qubits,被困离子等)兼容。 在2023年,Google Quantum AI用101qubits的距离-5表面代码演示了逻辑qubits,第一次实现了逻辑错误率低于物理错误率。这一突破表明,随着代码距离的增加,表面代码实际上可以抑制错误。 进一步的进步包括开发不宽容综合症读取电路,以及使用旗子位来防止测量错误扩散。 对于可测量量子计算,表面代码仍然是领先的候选数据。 然而,它们需要每个逻辑qubits中大约1000个物理位来计算实际错误率。 qubits质量和连接的创新正在稳步降低这一间接数据。

硬件层面的创新

虽然QEC代码是必要的,但是没有符合物理错误阈值的硬件,它们就是不够的。 研究人员正在积极改进qubit一致性时间、门的忠诚度和对讲机的减少。 对于超导方位,材料科学的进步降低了限制一致性的双层系统缺陷。 例如,使用通量子qubit就显示出了超过1毫秒的连贯性。 与此同时,被困离子的忠诚度已经非常高(99.99%),但缩放到许多离子上仍然很困难。 另一个硬件前沿是硅自旋方位的开发,这些自旋方位的开发是小型的,与半导体制造兼容。 这些方位在低温下运行,并显示出99.9%以上的单方位门的忠诚度。 此外,诸如低温的CMOS控制器等集成控制电子正在设计,以减少电线的复杂性和噪音。 这些硬件创新直接降低了基质误率,提高了QEC的效率,并增加了实际的断层容性。

近期设备的减错

对于当前的Noisy 中位量子(NISQ)时代设备,完全断层耐受性是一个遥远的目标。因此,已经开发了减错技术,以减少系统性错误,而无需QEC的间接费用。方法包括零噪外推、概率错除以及量子电路中的对称。这些方法运行了许多噪音水平不同的电路,并使用经典的后处理法推断理想结果。虽然它们不能提供完全断层耐受性,但它们允许对当前硬件进行有意义的计算。例如,IBM和Rigetti已经利用减错技术计算分子能量和用数百个闸门解决优化问题。硬件级创新(better qubits)与软件的减速结合是一个强大的短期战略。随着硬件的改进和QEC的成熟,减错很可能被淘汰,而有利于完全的断层耐受度。

挑战与未来方向

尽管取得了进展,但仍存在若干挑战。最关键的问题是将物理误差率降低到选定的QEC码的阈值以下。对于表面码来说,阈值是1%左右,可以使噪音去极化,但实际上,噪音是相互关联的,不会完全去极化,需要更高的阈值或更复杂的编码。另一个挑战是间接费用:一个单一的逻辑方格可能需要数千个物理方格,使一个具有数百万逻辑方格的全尺寸量子计算机看起来在天文上非常昂贵。这促使人们研究低覆盖码,如颜色码,并进入直接的地形保护,从而完全消除了主动校正错误的需要。此外,错误校正周期的速度必须跟上闸门操作;缓慢的QEC可以成为一个瓶颈。使用经典的FPGA解码器的实时反馈系统正在开发,以尽量减少纬度。最后,将所有组件——控制电子、低温度和软件——整合到一个连贯的系统,是一个巨大的工程挑战。然而,从谷歌逻辑方格演示到微软顶层图的计算,稳步前进的速度表明,在下一个元数10年内是可以实现的。

结论

量子计算硬件中故障耐受性的创新方法从异域地形方格到强力表面代码和主动减少误差。 每一种战略都解决脆弱性挑战的不同方面 — — 无论是通过建立内在稳定的方格、重复编码信息还是修正后的错误。 更好的材料、更聪明的编码和先进的控制电子的聚合正在推动实地更接近于容错操作。 虽然全面的错误校正仍然是一个长期目标,但过去五年取得的进展是显著的。 继续投资于研发,有可能释放能够解决密码学、材料科学和复杂系统问题的强大量子计算机。

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