量子计算机在减少错误方面的重大飞跃

通过随机编译减少错误的实验演示。左:八量子位超导量子处理器。右图:与理想状态(黑色)相比，单个量子位具有(橙色)和无(蓝色)随机编译的量子态断层扫描。资料来源:Akel Hashim/伯克利实验室

劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)先进量子试验台(AQT)的研究人员证明，一种名为随机编译(RC)的实验方法可以显著降低量子算法的错误率，并导致更精确和稳定的量子计算。这个多学科团队的突破性实验结果已不再仅仅是量子计算的一个理论概念，而是发表在《物理评论X》上。

AQT的实验是在一个四量子位超导量子处理器上进行的。研究人员证明，RC可以抑制量子计算机中最严重的错误之一:相干错误。

AQT研究员、加州大学伯克利分校研究生阿克尔·哈希姆参与了这项实验突破，他解释说:“我们可以在这个嘈杂的中尺度量子(NISQ)计算时代进行量子计算，但这些计算非常嘈杂，容易来自许多不同来源的错误，而且由于我们的量子位的消相干(即信息丢失)，持续时间不长。”

相干误差没有经典的计算模拟。这些类型的误差是系统性的，是由量子处理器上的量子位元的不完善控制造成的，并且在量子算法过程中可能产生建设性或破坏性的干扰。因此，很难预测它们对算法性能的最终影响。

虽然理论上，相干误差可以通过完美的模拟控制来纠正或避免，但由于控制相邻量子位元的信号之间存在“串扰”，在量子处理器中加入更多量子位元时，相干误差往往会恶化。

AQT研究员Akel Hashim致力于超导量子处理器的室温电子控制系统。资料来源:Christian Jünger/伯克利实验室

RC协议于2016年首次概念化，它并不试图修复或纠正相干错误。相反，RC通过随机化相干误差影响量子位元的方向来缓解这个问题，这样它们的行为就好像它们是一种随机噪声。RC通过创建、测量和组合许多逻辑等效的量子电路的结果来实现这一目标，从而平均出相干误差对任何单个量子电路的影响。

“我们知道，平均而言，随机噪声会在相同的平均错误率下持续出现，所以我们可以可靠地预测平均错误率的结果。随机噪声对我们系统的影响永远不会比平均错误率更糟，而相干误差则不是这样，相干误差对算法性能的影响可能比平均错误率所显示的差几个数量级。”

AQT研究者Akel Hashim验证随机编译的实验结果。资料来源:Christian Jünger/伯克利实验室

哈希姆用天文学中的信噪比来比较量子计算中相干误差和随机噪声的影响。望远镜运行的时间越长，相对于噪声而言，信号的增长就会越大，因为信号是相干的，而噪声——非相干的和不相关的——增长就会慢得多。

在量子算法中，相干误差可以通过建设性干涉建立，并且通常比随机噪声增长得更快。然而，RC的实验证明可以控制量子算法中的相干误差以一个较慢的速率增长。

AQT团队与协议的最初创造者约瑟夫·爱默生和乔尔·沃尔曼密切合作，后者是量子基准公司(最近被Keysight技术公司收购)的联合创始人，致力于解决量子计算系统中的基准问题和减少错误。

“不需要自己设计软件来执行RC协议，最终节省了我们大量的时间和资源，并使我们能够专注于实验工作，”Hashim说。

通过引入美国和世界量子信息科学界的研究人员和合作伙伴，AQT使基于领先技术之一超导电路的量子计算的探索和发展成为可能。

“RC是基于门的量子计算的通用协议，它与特定的错误模型和硬件平台无关，”Hashim描述道。“有许多应用程序和算法，可能受益于RC。我们的合作研究表明，RC可以在NISQ时代改进算法，我们希望它在NISQ之外继续成为一个有用的协议。在AQT的工具箱中有这种成功的演示是很重要的。我们现在可以将其部署到其他测试平台用户项目中。”