英国研究者提出一种减少量子错误的新方案，具有技术可行性

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近日，英国牛津大学教授Bálint Koczor提出一种减少中小型量子设备量子计算错误的新方案，该方案技术上具有可行性，并能更好地扩展到更大的设备。

“量子计算机是当今一个非常热门的话题，一些世界领先的公司，例如谷歌或IBM正在构建引人注目的量子设备。到目前为止，美国和中国的团队已经证明了量子优越性，这是量子计算机明显优于经典计算机的里程碑。”Koczor对澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者介绍道，“不幸的是，当前的量子设备无法执行有实际意义的任务，因为它们的操作不完善（嘈杂）。”

目前，量子计算机已经可以模拟经典计算机无法处理的复杂量子态。然而，量子计算机在操作中的噪声严重限制了其实用性。

要让量子计算机要在短期内发挥作用，需要减少噪声等引起的计算错误。对于嘈杂中型量子（Noisy Intermediate-Scale Quantum，简称NISQ）计算机来说，即便最小的量子纠错码的方案的复杂性也令人望而却步：单个逻辑量子比特需要编码成数千个物理量子比特。如此高的计算成本，无法在现有和近期的量子计算机上实现。

“我的论文描述了一种可以克服这些限制（计算错误）的技术，并让我们能够使用不完美的量子计算机来解决重要问题，例如用嘈杂量子计算机模拟分子。我的论文是一个突破，因为之前人们认为解决这类问题需要更先进的量子计算机，而它们预计不会在未来几年（甚至几十年）出现。”Koczor表示。

相关研究以《Exponential Error Suppression for Near-Term Quantum Devices》为题发表在知名物理学术期刊《Physical Review X》上。

据Koczor介绍，他的方法是让多个独立的量子计算机并行执行相同的计算，然后使用这些副本相互验证。不管任何计算过程中出现错误，任何副本都不会对最终结果产生影响。

中国工程物理研究院研究员李颖向澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者具体介绍了这项方案。他表示，计算错误是量子计算最关键的问题之一。理论上，量子纠错码足以处理计算错误，但在技术上实现量子纠错码非常困难。

“我们一般把结合了量子纠错码的量子计算称为容错量子计算，这是长期的发展目标。除了量子纠错码，近年来还发展出了一套适用于现有技术（以及近期有望达到的技术）的错误处理方法，统称为量子错误缓解。”李颖表示。

这篇论文中，Koczor提出一个全新的量子错误缓解方法，名为Exponential Error Suppression。在量子计算中，量子比特会经历一系列的演化，这些演化叫“量子门”。量子比特经过演化最终的状态叫做“末态”。如果在演化过程中未发生错误，则末态是确定的。就是说，如果用两台同样的量子计算设备进行一样的计算，应该得到两个相同的状态。

“在Koczor提出的错误缓解方法中，他找到一个方法将两个（或多个）本应该相同的状态进行比较，并且提取出相同的部分。在大多数情况下，这个相同的部分就是正确的状态，可以给出正确的计算结果。”李颖强调，比较两个量子态与比较两幅画不同。对于两幅画，读取画的内容的过程不会破坏画本身；对于量子态，直接的读取和比较则导致量子态的变化。

熟悉此项研究的牛津大学物理学初级研究员Zhenyu Cai对澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者表示，“随着量子设备数量的增长，计算结果里的错误会指数型地下降。当然，虽然计算结果的系统性错误下降了，但是我们需要跑同样的计算线路更多次来减少随机错误（散粒噪声）。”

通过模拟一个由几百个量子门组成的特定量子电路，Koczor发现，该方案在现有噪声量子计算机上实现了足以满足许多应用的错误率，而增加的电路副本不超过四个。

李颖表示，Koczor的工作给量子错误缓解提供了全新的思路。

量子错误缓解的一个重要途径是按照错误发生的统计规律补偿错误对量子态的影响，该途径的实施需要首先通过测试获取错误发生的分布。而Koczor的方法不需要测试这一步。

“Koczor方法的思想与量子纠错码有类似部分，可能在量子错误缓解和量子纠错码之间提供一个桥梁。该方法和其他量子错误缓解以及量子纠错的结合可能是接下来需要考虑的方向。”李颖表示。

“对于现有技术来说，在量子计算中使用该方法仍具有一定挑战性，主要原因是需要至少两份量子态，并且需要在两份量子态之间实现耦合。但是该方法的变种已经能够在数个量子比特的实验中进行演示。此外，随着技术的发展，在容错量子计算阶段的早期，该方法可能为我们提供一种高效降低错误的方法；在这个阶段，该方法可能充分体现出其实用性。”