靠得住量子推算已经到来
？最近，微软量子团队在arXiv陆续颁发两篇论文，称其所研发的 4D 几何编码步骤仅需极少的物理量子比特就能一次性实现谬误检测，同时能将量子系统谬误率降低至原数值的 1/1000，并暗示凭借此他们已经破解了量子推算机纠错背后的难题。 即便是高质量的物理量子比特也必要纠错来创建和纠缠逻辑量子比特，以便可能实现靠得住的量子推算。为此，该团队开发了一系列 4D 几何编码，这些编码能够将物理量子比特的谬误率降低几个数量级，使其达到量子电路靠得住运行所需的水平。同时，这些编码可在微软量子推算平台上使用，合用于拥有全互连个性的量子比特，好比中性原子、离子阱和光子学。 对于 4D 几何编码来说：首先，它能够让构建逻辑量子比特所需的物理量子比特数量削减五分之四。其次，它具备高效的逻辑运算能力，占有单次操作个性，能够急剧实现谬误校对。再次，它可能提高量子硬件的机能，将物理谬误率从 10??（千分之一）降低到约 10??（百万分之一）。 凭借这些个性，这一系列编码规划展示出多沉优势。其能让纠错诊断步骤得到大幅简化，从而实现低深怀抱子操作与运算。此表，这些编码削减了实现容错量子推算所需的物理量子比特数量，加快了迈向实用规模的过程。据相识，这一系列编码是微软量子推算平台可用的多多编码之一，该团队为其建设了一套齐全的高效操作，使得任何量子算法的编译都成为可能。未来，当把这些编码整合到微软量子团队的全栈系统中，有望在短期内实现 50 个逻辑量子比特的创建和纠缠，同时也有潜力扩大至数千个逻辑量子比特。 多所周知，所有推算机都可能产生谬误。当今大无数量子推算机所使用的量子比特极度容易犯错，因而自身无法进行靠得住的推算。要实现量子推算机解决复杂问题的潜力，必要满足以下两个前提前提：一是使器拥有高保真度的物理量子比特；二是利用可能创建靠得住逻辑量子比特的纠错码，这些逻辑量子比特的谬误率要显著低于相应物理量子比特的谬误率。 在经典推算中，纠错是通过复造每一比特传输的信息来实现的。若是其中一个或多个比特迷失或败坏，渣滓的比特仍能保留原始信息。然而，量子比特无法被复造。对它们进行丈量时，还会产生所谓的“坍缩”景象。这使得在谬误产生时（量子比特产生谬误的概率远高于经典比特）检测并纠正谬误变得难题得多。 典型的量子纠错设置必要向系统中增长额表的物理量子比特，这些量子比特会与通常承载量子信息的逻辑量子比特产生纠缠，这让人们无需丈量逻辑量子比特（以免导致其坍缩），而是能够通过丈量与之纠缠的物理量子比特来检测谬误，从而使推算过程得以持续。 本次微软量子团队在量子纠错过程当选取的 4D 编码技术，其主题在于将量子处置表表的拓扑结构映射到 4D 晶格上，利用这种步骤可能构建出拥有自校对个性的量子存储器。 无数现有的纠错技术要么难以扩大，要么亏损过高，要么两者兼而有之。量子系统实现容错所需的物理量子比特数量越多，且所需的纠错次数越多，推算过程中亏损的能量就会越多。而这次微软的 4D 几何编码拥有以下三大优势：一是每个逻辑量子比特所需物理量子比特数量极少，二是支持单次丈量实现谬误检测，三是能将谬误率降低三个数量级。因而，能够在肯定水平上缓解上述问题。 在本次成就的其中一篇论文里，该团队暗示，这一成就的主题创新在于对环面结构 4D 几何纠错编码进行了物理状态的螺旋扭曲。4D 几何编码规划能够在系统中构建 4D 拓扑结构以实现谬误检测，通过量子纠缠将采样空间与操作空间成立关联。其中，采样空间是运行纠错编码的区域，操作空间是存储量子比特信息的区域。这一编码技术通过数学表白式在 4D 空间中运作，其主题道理是让纠缠点可能在“环面”（可类比为甜甜圈状态的拓扑结构）表表成立衔接。 固然在从前 4D 编码已被用于创建自校对量子存储器，但这次利用越发拥有创新性，由于该团队算出了几何结构上的一个“扭曲”，该扭曲使得一样数量的编码可能使用更少的物理量子比特纠缠来覆盖一样的系统空间。通过扭曲几何结构，4D 编码叠加层会创建一个更大的表征空间，该空间能反映所使用的现实量子比特的更大批子态。这样一来，就能够在不滋扰系统内现实产生的量子过程的情况下，检测编码中的谬误。 总的来说，4D 编码旨在借助适量的物理量子比特，高效地实现逻辑量子比特数量的不休增长，同时支持低深度逻辑循环与通用容错，因而未来通用容错量子推算机或许能够通过 4D 几何编码实现。与此同时，微软量子团队在量子推算机上运行了扭曲编码，并暗示已经通过尝试验证了本次理论。 此表，该团队还验证了另一项新技术：在量子比特原子迷失时实现原子代替。在特定量子推算系统中，量子比特的造备需通过激光镊子俘获中性原子并将其固定在晶格位点。而在运算过程中，这些原子可能产生逃逸或位点迷失景象，而该团队初次实现了运算周期内的原子代替，通过原子束将新原子注入阵列，且全程不影响推算过程。值妥贴心的是，这篇论文的作者达到几十位之多。 此前，微软量子团队通过将其量子比特虚构化系统利用于美国量子草创公司 Atom Computing 的中性原子，创建并纠缠了 24 个靠得住的逻辑量子比特。相较于其他一些量子比特技术，Atom Computing 的中性原子量子比特拥有多项优势，其中蕴含因其不带电荷而可能在阵列中缜密分列，这为其提供了宽泛的可扩大性。此表，这些量子比特能够矫捷移动，从而能与其他原子实现相互作用。同时，它们对噪声的抗滋扰性强，并且具备量子纠错所需的高保真度。 自微软量子团队上次颁发与 Atom Computing 发展合作以来，后者已在其硬件平台上实现了量子比特的中途丈量机能提升，并成功演示了量子比特沉置与复用职能。这项技术允许在丈量一部门量子比特的同时保留已丈量和未丈量的量子比特，它改进了谬误纠正能力，提高了可执行量子推算的复杂度，并为容错量子推算摊平了路路。另据悉，Atom Computing 中性原子的双量子比特门保真度为 99.6%，截至目前这依然是贸易系统中中性原子量子比特的最高保真度。 据介绍，Atom Computing 的中性原子量子比特凭借高保真度、全互联架构和长有关功夫三大主题优势，与微软量子推算平台可能形成技术互补，以便高效地构建逻辑量子比特系统。据相识，美国麻省理工学院本科校友、美国科罗拉多大学博尔德分校博士毕业生本·布鲁姆（Ben Bloom）是 Atom Computing 的首创人兼 CEO，他辅导着该公司在逻辑量子比特、容错量子推算和中性原子系吐潇域的开发工作。此前，本·布鲁姆曾致力于各类量子技术钻研，在意识到中性原子系统为大规模量子推算提供了最佳蹊径后，他于 2018 年缔造了 Atom Computing，并获得了和微软量子团队发展合作的机遇。 目前，微软量子团队的成就正处于靠得住量子推算的早期阶段。随着更多人选取协同设计步骤来索求量子架构、算法和利用之间的相互作用，预计现实利用将起头逐步显露。据介绍，量子推算最具突破性的利用场景，很可能呈此刻利用量子技术改进和加快其他技术的领域，好比高机能推算和人为智能。眼下，微软量子团队在通过将量子硬件与量子推算平台加以深度耦合，持续推动量子优势能力的突破。同时，这一系列新技术是自下而上构建的，其容错规划不仅合用于已经得到测试的硬件平台和利用场景，也具备跨平台的扩大潜力。