量子計(jì)算的下一個(gè)超級(jí)大挑戰(zhàn)

　　譯者按

　　Science的這篇科普稿發(fā)表于一個(gè)月前，事實(shí)上國(guó)內(nèi)媒體早已經(jīng)將其翻譯過(guò)來(lái)介紹給國(guó)內(nèi)的同行和愛(ài)好者。我一時(shí)興起決定再譯一遍，一方面是希望加深一下自己的印象，另一方面也希望將某些略顯晦澀的地方講的更清晰一些。不過(guò)譯完之后，我感覺(jué)大概我的第二個(gè)希望會(huì)落空。量子糾錯(cuò)基于量子糾纏，而糾纏的確是一個(gè)極難講清的概念，稍有不慎往往讓讀者更為迷惑，抑或浮想翩翩，這都是量子方面的科普人所不愿見(jiàn)的。

　　我們的確生活在一個(gè)偉大的時(shí)代，前人窮盡思慮也想不到的事物，如今像泉涌般噴薄而出。量子計(jì)算顯然是其中之一。Peter Shor設(shè)計(jì)他的量子算法時(shí)，恐怕只是作為一個(gè)數(shù)學(xué)玩具而已，如今卻眼看要在我輩有生之年內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。就在去年，Google發(fā)布了轟動(dòng)一時(shí)的“Sycamore”芯片并演示了“量子霸權(quán)”，為量子計(jì)算發(fā)展史留下濃重一筆，一時(shí)間褒貶齊飛，這個(gè)事件甚至讓我有幸登上一次直播臺(tái)，真真是件極有意思的事情。本文對(duì)于“量子霸權(quán)”這件事，感覺(jué)是有點(diǎn)“頗不以為然”的。倒不是說(shuō)量子霸權(quán)這個(gè)實(shí)驗(yàn)演示本身有何問(wèn)題，或者重要性不夠，而是相比本文圍繞的量子糾錯(cuò)這一挑戰(zhàn)而言，有點(diǎn)不足為道。然而量子糾錯(cuò)這個(gè)詞匯，卻遠(yuǎn)不如量子霸權(quán)來(lái)得霸道，有沖擊力，所以作者耐心地講解了開(kāi)發(fā)切實(shí)的量子糾錯(cuò)方案有多難，其用心可謂良苦。

　　幾個(gè)月前我還譯了《福布斯》雜志對(duì)Google量子技術(shù)核心人物Martinis的專訪，有一個(gè)地方我印象很深：Martinis教授對(duì)他解決了量子芯片設(shè)計(jì)中的連線問(wèn)題感到很自豪，但另一位理論物理學(xué)家也提出了一個(gè)連線方案，Martinis憑實(shí)驗(yàn)者的視角認(rèn)為不可行，但Google卻最終支持了那個(gè)方案，令他大為失望。我當(dāng)時(shí)內(nèi)心苦笑道：“連線問(wèn)題的重要性，似乎只有真正做的人才有所體會(huì)。但“解決了連線問(wèn)題”的話題性與“量子霸權(quán)”相比不啻霄壤。

　　聯(lián)系到這里，量子糾錯(cuò)的話題性同樣遠(yuǎn)不如“量子霸權(quán)”，但對(duì)于實(shí)用化量子計(jì)算而言，量子糾錯(cuò)的重要性比之量子霸權(quán)確實(shí)如泰山之于土丘。我們確實(shí)有必要向關(guān)注量子計(jì)算的人們傳遞這一概念，加深這一概念，以免哪天科學(xué)家們克盡艱難征服了量子糾錯(cuò)，對(duì)外界發(fā)出吶喊的時(shí)候，吃瓜群眾卻個(gè)個(gè)擺出萌懵臉。當(dāng)然，我更希望科技戰(zhàn)略制定者能體會(huì)到其重要性，能夠準(zhǔn)確把握國(guó)內(nèi)量子計(jì)算推進(jìn)的方向，使我國(guó)量子計(jì)算事業(yè)立于世界之巔，為國(guó)家、為人類做出不世之貢獻(xiàn)！

　　2019年10月，Google的研究人員高調(diào)地對(duì)外發(fā)布了其量子計(jì)算原型機(jī)，并以壓倒性優(yōu)勢(shì)解決了一個(gè)目前最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)難以解決的問(wèn)題。很多人認(rèn)為這是一個(gè)里程碑，即所謂“量子霸權(quán)”，它標(biāo)志著量子計(jì)算時(shí)代黎明的到來(lái)。對(duì)這件事，一位來(lái)自加州大學(xué)戴維斯分校的數(shù)學(xué)家Greg Kuperberg，卻頗不以為然。他是一位量子計(jì)算的專家，按照他的說(shuō)法，Google本應(yīng)該將目標(biāo)設(shè)定在一件盡管不那么耀眼，但卻遠(yuǎn)為重要的事情上。

量子糾錯(cuò)：比量子霸權(quán)遠(yuǎn)為重要的事情

　　不管是計(jì)算你該交多少稅，還是玩超級(jí)馬里奧，我們的計(jì)算機(jī)總是在長(zhǎng)長(zhǎng)的0、1比特串上施展魔法。而量子計(jì)算卻是在量子比特，或者叫qubit上展示魔力。量子比特可以同時(shí)處于0和1，就像你同時(shí)坐在長(zhǎng)沙發(fā)的兩頭那樣。它們可以在離子、光子或者微小的超導(dǎo)電路中實(shí)現(xiàn)，這種兩能級(jí)系統(tǒng)賦予了量子計(jì)算超強(qiáng)的能力。不過(guò)，量子比特同時(shí)也是很脆弱的，與周圍環(huán)境發(fā)生哪怕極微弱的相互作用也會(huì)導(dǎo)致它們發(fā)生改變。所以，科學(xué)家們必須學(xué)會(huì)如何去糾正這些錯(cuò)誤，而這正是Kuperberg寄望于Google之所在——Google應(yīng)該朝這一目標(biāo)邁出關(guān)鍵一步?！斑@是一個(gè)更有意義的基準(zhǔn)”，他這樣說(shuō)道。

　　當(dāng)專家們質(zhì)疑Google的量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)的重要性時(shí)，他們都會(huì)強(qiáng)調(diào)量子糾錯(cuò)的重要性。Chad Rigetti是一位物理學(xué)家，同時(shí)也是Rigetti公司的聯(lián)合創(chuàng)始人，他說(shuō)：“這差別真的非常大，就像你花了一億美元，是建了一臺(tái)10000個(gè)量子比特組成的隨機(jī)噪聲發(fā)生器，還是一臺(tái)世界上威力最大的計(jì)算機(jī)?！痹谶@關(guān)鍵的第一步上，大家都同意Kuperberg的觀點(diǎn)：將通常編碼在躁動(dòng)不安的單一量子比特上的信息，以某種形式分散到一群量子比特里去，從而能夠在噪聲紛擾下依然保持信息的完整性。德州大學(xué)奧斯汀分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Scott Aaronson解釋說(shuō)：“你要建的船還是那艘船，盡管上面的每塊木板都已朽爛，到了必須要更換的地步?！?/p>

　　如果一艘船的木板隨著時(shí)間流逝逐漸腐爛并被替換，直到所有的部件都不是最開(kāi)始的那些，它依舊是原來(lái)的船嗎？這是一個(gè)古老的思想實(shí)驗(yàn)，被稱為“特修斯之船”，哲學(xué)家們對(duì)此有著不同的答案。量子糾錯(cuò)的機(jī)制與此類似，一個(gè)邏輯量子比特的信息分散在眾多物理量子比特中，不過(guò)問(wèn)題的答案卻是肯定的，即使物理量子比特受到擾動(dòng)，邏輯比特中的信息完整性仍得以保持。

　　量子計(jì)算的早期領(lǐng)頭羊——Google、Rigetti和IBM——都已經(jīng)將視角轉(zhuǎn)到了這一目標(biāo)上。Google量子人工智能實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人Hartmut Neven說(shuō)道：“這（量子糾錯(cuò)）非常確定是下一個(gè)重要的里程碑”。而IBM量子計(jì)算事業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)人Jay Gambetta則說(shuō)：“接下來(lái)幾年內(nèi)，你們會(huì)看到我們?cè)诮鉀Q量子糾錯(cuò)問(wèn)題上的一系列成果?！?/p>

　　物理學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)他們的量子糾錯(cuò)方案了，但是面臨的挑戰(zhàn)仍極艱巨。為了演示量子霸權(quán)，Google的科學(xué)家已經(jīng)與53個(gè)量子比特大戰(zhàn)三百回合；然而，要想將數(shù)據(jù)以足夠高的保真度編碼到一個(gè)量子比特中（即實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)的邏輯量子比特），他們或許需要征服1000個(gè)這樣的比特。

追尋量子計(jì)算機(jī)

　　量子計(jì)算機(jī)的追尋之路啟于1994年。當(dāng)時(shí)麻省理工學(xué)院的一位數(shù)學(xué)家Peter Shor展示了一種尚處于假想中的機(jī)器，它可以快速地對(duì)一個(gè)大數(shù)進(jìn)行因式分解。得益于量子比特的兩能級(jí)系統(tǒng)，Shor算法用量子波函數(shù)來(lái)表示一個(gè)大數(shù)可能的分解方式。這些量子波可以同時(shí)在量子計(jì)算機(jī)所有的量子比特中波動(dòng)，它們相互干涉，導(dǎo)致錯(cuò)誤的分解形式相互抵消，最終正確的形式鶴立雞群。現(xiàn)在保護(hù)著互聯(lián)網(wǎng)通信的密碼系統(tǒng)正是建立在一個(gè)基本事實(shí)之上，即搜索大數(shù)分解形式是常規(guī)計(jì)算機(jī)幾乎不可完成的，因此運(yùn)行Shor算法的量子計(jì)算機(jī)可以破解這一密碼系統(tǒng)。當(dāng)然，這只是量子計(jì)算機(jī)能做的很多事情之一。

　　但是，Shor假設(shè)每個(gè)量子比特都能夠完好地保持其狀態(tài)，這樣量子波只要有必要就可以左右蕩漾。真實(shí)的量子比特則遠(yuǎn)沒(méi)有這么穩(wěn)定。Google、IBM和Rigetti采用的量子比特都由超導(dǎo)金屬刻蝕而成的微納諧振電路構(gòu)成。目前已經(jīng)證明，這種比特比其他類型的量子比特更易于操控和電路集成。每個(gè)電路有兩個(gè)確定的能態(tài)，我們可以分別記為0和1。通過(guò)在這個(gè)電路上施加微波，研究者就能使它處于其中一個(gè)狀態(tài)，或者兩個(gè)狀態(tài)的任意組合——比如說(shuō)30%的0和70%的1。但是，這些“中間態(tài)”會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)彌散，或者說(shuō)“退相干”。甚至在退相干發(fā)生之前，噪聲就可能會(huì)“沖撞”并改變這些量子態(tài)，讓計(jì)算結(jié)果“出軌”，朝不想要的方向演化。

操縱一個(gè)量子比特

　　不同于常規(guī)比特必須處于0或1，量子比特可以同時(shí)處于0和1的任意組合狀態(tài)。量子態(tài)的這種組合可以通過(guò)一個(gè)抽象的角度，或者叫相位來(lái)描述。這樣，量子比特的狀態(tài)就像地球儀上的一個(gè)點(diǎn)，它的緯度表示量子比特有多少在0，多少在1，它的經(jīng)度則表示相位。噪聲會(huì)以兩種基本的方式“沖撞” 量子比特，并讓這個(gè)點(diǎn)在球面上的位置發(fā)生改變。其中比特翻轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)0和1發(fā)生交換，而相位翻轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于相位變化180度。

來(lái)源：C。 BICKEL/SCIENCE

　　這些噪聲幾乎淹沒(méi)了Google量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)中的信號(hào)。研究人員一開(kāi)始設(shè)置53個(gè)量子比特以編碼所有可能的輸出，從0到253。然后在量子比特上執(zhí)行一組隨機(jī)選擇的兩比特門操作，重復(fù)很多次，使某些輸出結(jié)果的概率高于其他結(jié)果。研究者說(shuō)，考慮到相互作用（兩比特門）的復(fù)雜性，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要數(shù)千年才能計(jì)算出最終的輸出模式。于是，通過(guò)這一測(cè)量，量子計(jì)算機(jī)就做了一件任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)都難以匹敵的事情。不過(guò)，這一結(jié)果僅僅非常勉強(qiáng)地與噪聲引起的量子比特隨機(jī)翻轉(zhuǎn)結(jié)果有所區(qū)分?！八麄兊难菔局?9%是噪聲，僅1%是信號(hào)”，Kuperberg說(shuō)。

　　為了實(shí)現(xiàn)最終夢(mèng)想，開(kāi)發(fā)者希望量子比特能夠像常規(guī)計(jì)算機(jī)中的比特那樣可靠，正如Neven所說(shuō)：“我們想要擁有一個(gè)保持相干性直到你關(guān)機(jī)為止的這么一個(gè)量子比特?！?/p>

從經(jīng)典糾錯(cuò)到量子糾錯(cuò)

　　科學(xué)家們將一個(gè)量子比特——一個(gè)“邏輯量子比特”的信息分散到很多物理比特中去的方法，可以追溯到上世紀(jì)五十年代開(kāi)發(fā)早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的時(shí)代。早期計(jì)算機(jī)中的比特由真空管或者機(jī)械繼電器（開(kāi)關(guān)）組成，他們有時(shí)候會(huì)毫無(wú)征兆地發(fā)生反轉(zhuǎn)。為了克服這個(gè)問(wèn)題，著名數(shù)學(xué)家馮·諾伊曼（John von Neumann）開(kāi)了糾錯(cuò)之先河。

　　馮·諾伊曼的方法利用了冗余。假設(shè)一個(gè)計(jì)算機(jī)對(duì)每個(gè)比特做了三份拷貝，那么即便其中一個(gè)翻轉(zhuǎn)了，多數(shù)比特仍然保持著正確值。計(jì)算機(jī)可以通過(guò)對(duì)這幾個(gè)比特做兩兩比對(duì)來(lái)找到并修正錯(cuò)誤比特，這種方法被稱為奇偶校驗(yàn)。比如說(shuō)，如果第一個(gè)和第三個(gè)比特相同，但第一個(gè)和第二個(gè)、第二個(gè)和第三個(gè)都不同，那么最有可能第二個(gè)比特翻轉(zhuǎn)了，于是計(jì)算機(jī)就把它再翻回來(lái)。更大的冗余意味著更大的糾錯(cuò)能力。有意思的是，刻在微芯片上的晶體管，也就是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)用來(lái)編碼其比特的器件竟是如此的可靠，以至于糾錯(cuò)還真用得不多。

　　但是量子計(jì)算機(jī)不得不依賴于此，至少對(duì)超導(dǎo)量子比特構(gòu)成的量子計(jì)算機(jī)而言如此。（由單個(gè)離子構(gòu)成的量子比特受噪聲影響更小，但更難集成。）量子力學(xué)原理本身又讓這一工作變得更為艱難，因?yàn)樗鼊儕Z了最簡(jiǎn)單的糾錯(cuò)工具——復(fù)制。在量子力學(xué)中，不可克隆定理告訴我們，不可能在不改變量子比特原始狀態(tài)的情況下將其狀態(tài)復(fù)制到其他量子比特上。謝菲爾德大學(xué)的一位理論物理學(xué)家Joschka Roffe說(shuō)：“這就意味著我們不可能直接將經(jīng)典的糾錯(cuò)碼轉(zhuǎn)換成量子糾錯(cuò)碼?！?/p>

簡(jiǎn)單的糾錯(cuò)

　　在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，一個(gè)比特就是一個(gè)可以被設(shè)置為0或1的開(kāi)關(guān)。為了保護(hù)一個(gè)比特，計(jì)算機(jī)可以將它復(fù)制到其他比特上。如果噪聲引起某個(gè)拷貝發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，通過(guò)做奇偶校驗(yàn)，計(jì)算機(jī)就能定位到錯(cuò)誤：將一對(duì)比特進(jìn)行對(duì)比，看它們狀態(tài)相同還是不同。

來(lái)源：C。 BICKEL/SCIENCE

　　更糟糕的是，量子力學(xué)還要求研究者蒙眼找錯(cuò)誤。盡管量子比特可以處在0和1的疊加態(tài)上，但根據(jù)量子力學(xué)，實(shí)驗(yàn)者不可能在不引起塌縮的情況下測(cè)量這一疊加態(tài)，測(cè)量總導(dǎo)致量子態(tài)向0或1中的某個(gè)狀態(tài)塌縮：測(cè)量一個(gè)態(tài)就會(huì)消滅一個(gè)態(tài)！Kuperberg說(shuō)：“最簡(jiǎn)單的糾錯(cuò)方法（經(jīng)典糾錯(cuò)）就是把所有比特檢查一遍，看看哪里出錯(cuò)了。但如果是量子比特，你就必須在不看它的情況下找出錯(cuò)誤來(lái)?！?/p>

　　這些障礙可能聽(tīng)起來(lái)難以逾越，但量子力學(xué)又指出了可能的解決方案。研究者雖然不能復(fù)制一個(gè)量子比特的態(tài)，但他們可以將其擴(kuò)展到其他比特上去，利用一種難以理解的量子關(guān)聯(lián)——量子糾纏。

量子糾錯(cuò)如何實(shí)現(xiàn)？

　　如何實(shí)現(xiàn)糾纏，正顯示了量子計(jì)算有多微妙。在微波的激勵(lì)下，一個(gè)初始量子比特與另一個(gè)處于0態(tài)的比特通過(guò)一個(gè)“控制非”（CNOT）門操作發(fā)生相互作用。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)量子比特處在1態(tài)時(shí)，CNOT門改變第二個(gè)比特的狀態(tài)，而當(dāng)?shù)谝粋€(gè)比特處于0態(tài)時(shí)，則保持第二個(gè)比特不變。盡管有相互作用，但這個(gè)過(guò)程并沒(méi)有對(duì)第二個(gè)量子比特做測(cè)量，因此不會(huì)迫使它的量子態(tài)塌縮。相反，這個(gè)過(guò)程保持了第一個(gè)量子比特的雙向態(tài)，并同時(shí)處在改變和不改變第二個(gè)量子比特的狀態(tài)，總之，它讓兩個(gè)量子比特處在了同時(shí)為0和同時(shí)為1的疊加態(tài)。

　　舉例來(lái)說(shuō)，如果初始的量子比特處于30%的0和70%的1的疊加態(tài)，我們可以將它與其他比特連成一個(gè)鏈，比如三個(gè)量子比特共享一個(gè)糾纏態(tài)，其中30%為全0，70%為全1。這個(gè)態(tài)與初始比特的三個(gè)拷貝構(gòu)成的態(tài)是不同的。實(shí)際上，這三個(gè)糾纏的量子比特串中的任何一個(gè)比特獨(dú)自來(lái)看都沒(méi)有一個(gè)確切的態(tài)，但它們完全關(guān)聯(lián)起來(lái)了：如果你測(cè)量第一個(gè)比特而它塌縮到了1，那么另外兩個(gè)比特一定也同時(shí)塌縮到了1；反之亦然，如果第一個(gè)塌縮到了0，其他兩個(gè)也同時(shí)塌縮到了0。這種關(guān)聯(lián)是糾纏的本質(zhì)所在。

　　在這樣一個(gè)更大的糾纏態(tài)中，科學(xué)家們現(xiàn)在就可以留心錯(cuò)誤的發(fā)生了。為了做到這點(diǎn)，他們繼續(xù)將更多的“輔助”量子比特與這個(gè)三比特鏈糾纏起來(lái)，一個(gè)與第一、第二比特糾纏，另一個(gè)則與第二和第三比特糾纏。之后再對(duì)輔助量子比特進(jìn)行測(cè)量，就像經(jīng)典比特中的奇偶校驗(yàn)?zāi)菢?。比如說(shuō)，噪聲可能將原先的三個(gè)編碼比特中的一個(gè)翻轉(zhuǎn)了，于是它的0和1部分調(diào)換了，改變了它們之間潛在的關(guān)聯(lián)性。如果研究者把事情做好，他們可以在輔助量子比特上做“穩(wěn)定器”測(cè)量以探測(cè)這些關(guān)聯(lián)。

　　盡管測(cè)量輔助量子比特導(dǎo)致了它們狀態(tài)的塌縮，但并沒(méi)有對(duì)編碼比特造成影響?！斑@是經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)的奇偶校驗(yàn)測(cè)量，它不會(huì)導(dǎo)致編碼在邏輯態(tài)中的信息塌縮”，Roffe說(shuō)。舉例來(lái)說(shuō)，假如第一個(gè)輔助比特的測(cè)量結(jié)果為0，它只說(shuō)明了第一和第二編碼比特的狀態(tài)一定相同，但并沒(méi)告訴我們它們到底處在哪個(gè)態(tài)，而如果輔助比特測(cè)量結(jié)果為1，則表明編碼比特肯定處于相反的態(tài)，僅此而已。如果能在量子比特態(tài)趨于彌散之前迅速找到發(fā)生翻轉(zhuǎn)的比特，那就可以用微波將它再翻回原來(lái)的態(tài)并恢復(fù)其相干性。

量子修正更困難

　　量子力學(xué)原理使得直接通過(guò)復(fù)制并測(cè)量量子比特（上）并檢測(cè)錯(cuò)誤不可行。物理學(xué)家想到的替代辦法是將量子比特的態(tài)通過(guò)糾纏（中）分散到其他量子比特中去，然后監(jiān)測(cè)這些量子比特來(lái)探測(cè)錯(cuò)誤，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后再通過(guò)操控讓錯(cuò)誤比特回到正確的態(tài)（下）。

越大越好

　　物理學(xué)家通過(guò)將量子比特與其他量子比特糾纏來(lái)放大量子比特態(tài)，而不是復(fù)制。其結(jié)果是得到一個(gè)糾纏態(tài)，對(duì)應(yīng)各個(gè)量子比特處于球面上同一個(gè)點(diǎn)。

溫和校正

　　如果噪聲導(dǎo)致一個(gè)量子比特發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，物理學(xué)家可以探測(cè)這一變化而不真正測(cè)量這個(gè)態(tài)。他們將一對(duì)主量子比特與其他輔助量子比特糾纏起來(lái)并測(cè)量這些輔助比特，如果主量子比特之間的關(guān)聯(lián)保持不變，結(jié)果就應(yīng)為0，而如果發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，測(cè)量結(jié)果就應(yīng)為1。接下來(lái)就可以通過(guò)微波將量子比特再翻回去以恢復(fù)最初的糾纏態(tài)。

　　這只是最基本的概念。一個(gè)量子比特態(tài)要比只是0和1的組合更為復(fù)雜。它同時(shí)還取決于這兩部分是如何交織的，換句話說(shuō)，它還依賴于一個(gè)抽象的角度，也就是相位。這個(gè)相位角度可以從0°到360°之間變化，它是波動(dòng)干涉效應(yīng)的關(guān)鍵，而正是這種量子干涉賦予了量子計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的能力。原理上，任何量子比特態(tài)的錯(cuò)誤可以被認(rèn)為是比特翻轉(zhuǎn)和相位翻轉(zhuǎn)的某種組合，比特翻轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)0和1發(fā)生交換，而相位翻轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于相位變化180度。

　　要修正這兩種錯(cuò)誤，研究人員可以將上述的糾錯(cuò)方案擴(kuò)展到另一個(gè)維度。既然一個(gè)三糾纏的比特串，加上兩個(gè)輔助比特交織其間，是探測(cè)和糾正一個(gè)比特翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤的最小結(jié)構(gòu)，那么一個(gè)3x3的量子比特網(wǎng)格，加上8個(gè)分布其中的輔助比特，就是可以同時(shí)探測(cè)和修正比特翻轉(zhuǎn)和相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤的最小結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在邏輯比特就存在于這樣一個(gè)9比特的糾纏態(tài)中——謝天謝地你不用寫出它的數(shù)學(xué)公式來(lái)！在這樣一個(gè)網(wǎng)格上的其中一個(gè)維度上進(jìn)行穩(wěn)定器測(cè)量可以檢測(cè)比特翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，而在另一個(gè)維度上進(jìn)行略微變化的穩(wěn)定器測(cè)量則檢測(cè)相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。

　　將量子比特態(tài)放到一個(gè)二維網(wǎng)格中進(jìn)行糾錯(cuò)的方案會(huì)隨著量子比特的幾何排布及穩(wěn)定器測(cè)量的細(xì)節(jié)而改變，但研究人員進(jìn)行量子糾錯(cuò)的路線已經(jīng)清晰了：將單個(gè)邏輯量子比特編碼到一個(gè)物理比特組成的網(wǎng)格陣列中，并展示邏輯比特的保真度隨著陣列的尺度增加而增加。

實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的挑戰(zhàn)

　　實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家已經(jīng)起了個(gè)頭。舉例來(lái)說(shuō)，6月8號(hào)發(fā)表的一篇《自然·物理》論文中的研究結(jié)果中，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的Andreas Wallraff教授及其合作者演示了，他們可以通過(guò)三個(gè)輔助比特來(lái)探測(cè)——但不糾正——一個(gè)4比特正方網(wǎng)格編碼的邏輯量子比特中的錯(cuò)誤。

　　但是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家面臨的挑戰(zhàn)令人生畏?！安倏馗鱾€(gè)獨(dú)立的量子比特都會(huì)引入一定的錯(cuò)誤，除非這個(gè)錯(cuò)誤能夠低于某個(gè)特定的閾值，否則將初始比特與更多的比特糾纏只會(huì)增加更多的噪聲”，IBM的一位物理學(xué)家Maika Takita說(shuō)，“在演示任何事情之前你必須先設(shè)法做到那個(gè)閾值以下?！陛o助比特以及其他糾錯(cuò)裝置會(huì)引入更多的噪聲，一旦計(jì)入這些效應(yīng)，要求的錯(cuò)誤閾值將進(jìn)一步大幅下降。想要讓上述的糾錯(cuò)方案可行，物理學(xué)家必須將他們的錯(cuò)誤率降到1%以下。Takita說(shuō)：“當(dāng)我聽(tīng)到我們達(dá)到了3%的錯(cuò)誤率時(shí)，我覺(jué)得那太棒了?，F(xiàn)在，我知道它（錯(cuò)誤率）還需要大幅降低?！?/p>

　　量子糾錯(cuò)還要求反復(fù)地測(cè)量量子比特態(tài)，這讓整個(gè)過(guò)程的技術(shù)要求更強(qiáng)于量子霸權(quán)。Google的一位物理學(xué)家Marissa Giustina說(shuō)，在量子霸權(quán)中，所有量子比特只需要測(cè)量一次，而量子糾錯(cuò)“要求你在一個(gè)周期內(nèi)反復(fù)地測(cè)呀測(cè)呀測(cè)呀，而且還要做得又快又準(zhǔn)確”。

　　盡管有那么幾個(gè)量子比特就足以演示量子糾錯(cuò)的原理，但要建造實(shí)用量子計(jì)算機(jī)，物理學(xué)家必須能夠控制大量的量子比特。要想運(yùn)行Shor算法并足以進(jìn)行大數(shù)分解，比如說(shuō)分解1000位的一個(gè)數(shù)——這大致上是目前互聯(lián)網(wǎng)加密方案中常用的大小——需要保持邏輯量子比特的錯(cuò)誤率低于十億分之一。這可能需要上千個(gè)量子比特組成的網(wǎng)格來(lái)守護(hù)一個(gè)邏輯量子比特。研究人員說(shuō)，要想達(dá)到這個(gè)預(yù)期，將需要經(jīng)過(guò)好幾代開(kāi)發(fā)來(lái)制備出更大、更好的量子芯片。

　　頗為諷刺的是，一旦完成這一挑戰(zhàn)，研究者將一夜回到解放前。20年前，他們集中于研究如何讓物理量子比特耦合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)各種計(jì)算所需的邏輯操作，也就是“量子邏輯門”。當(dāng)科學(xué)家掌握了怎么做量子糾錯(cuò)之后，他們又必須重復(fù)目前為止量子計(jì)算領(lǐng)域所做的幾乎所有開(kāi)發(fā)。不過(guò)這次是在更穩(wěn)健、但更復(fù)雜的邏輯量子比特上。Giustina打趣地說(shuō)：“有人說(shuō)量子糾錯(cuò)是量子計(jì)算的下一步，其實(shí)它是下25步”。

　　折回到這些研發(fā)步驟上去不容易。不止是現(xiàn)在需要兩個(gè)量子比特來(lái)實(shí)現(xiàn)的邏輯門將來(lái)需要數(shù)千個(gè)這么簡(jiǎn)單，更糟糕的是，另一個(gè)量子力學(xué)定理告訴我們，不管研究人員用什么樣的方案，不是所有的邏輯門都可以很容易地從單個(gè)物理比特轉(zhuǎn)換到由分散的大量物理比特組成的邏輯比特上去的。

　　研究人員認(rèn)為他們可以設(shè)法避開(kāi)這個(gè)問(wèn)題，如果他們可以將所有量子比特制備到特定的“魔法態(tài)”上去的話。這至少能使得那些有問(wèn)題的邏輯門實(shí)現(xiàn)起來(lái)事半功倍。不幸的是，要制備這些魔法態(tài)，我們又需要提供更多的量子比特?！叭绻阆脒\(yùn)行類似Shor算法這樣的東西，可能有90%的量子比特將不得不用于制備這些魔法態(tài)”，Roffe說(shuō)。所以，一個(gè)完全成熟的、擁有上千個(gè)邏輯量子比特的量子計(jì)算機(jī)，最終將需要好幾百萬(wàn)個(gè)物理比特。

　　Google計(jì)劃在十年內(nèi)建造一臺(tái)這樣的機(jī)器。乍看上去這顯得很荒謬。超導(dǎo)量子比特需要冷卻到接近絕對(duì)零度的溫度，被置于一個(gè)房間大小的所謂恒溫器中。百萬(wàn)量子比特的量子計(jì)算機(jī)需要一個(gè)有上千個(gè)恒溫器的超級(jí)工廠。不過(guò)Google的研究人員認(rèn)為他們可以讓設(shè)備更緊湊。Neven說(shuō)：“我不想劇透，不過(guò)我們相信我們已經(jīng)想到辦法了。”

　　其他的研究者在研究不同的方案。Google的方案需要1000個(gè)物理比特來(lái)編碼一個(gè)邏輯比特，因?yàn)樗麄兊男酒辉试S量子比特之間有近鄰相互作用。如果更遠(yuǎn)距離的量子比特也能發(fā)生相互作用，需要的物理比特?cái)?shù)量將會(huì)少得多，IBM的Gambetta說(shuō)，“如果我能做到這點(diǎn)，量子糾錯(cuò)所要的這些荒謬恐怖的比特?cái)?shù)開(kāi)銷就會(huì)急劇下降”。所以IBM的研究者們正在探索量子比特之間有更長(zhǎng)程相互作用的糾錯(cuò)方案。

　　沒(méi)人愿意預(yù)言還需要多長(zhǎng)時(shí)間能掌握量子糾錯(cuò)。但是時(shí)候把這個(gè)問(wèn)題提到最緊迫的日程上了，Rigetti說(shuō)?！捌駷橹梗瑢?shí)質(zhì)上所有自認(rèn)為是量子糾錯(cuò)專家的都是理論家。我們必須把這個(gè)領(lǐng)域變成實(shí)證的，在真實(shí)的機(jī)器上產(chǎn)生的真實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上做真實(shí)的量子反饋?！?/p>

　　量子霸權(quán)定格在了2019，而量子糾錯(cuò)將是下一個(gè)熱點(diǎn)。