自修复量子计算机：无错误和容错

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  量子运行远见
• 2023 年 2 月 14 日

洞察总结

量子计算代表了计算机处理的范式转变。 这些系统有潜力在几分钟内解决复杂的计算，而传统计算机需要几年甚至几个世纪才能完成。 然而，充分发挥量子技术潜力的第一步是确保它们能够自我修复其输出。

自修复量子计算环境

2019 年，包含 54 个量子位的 Google Sycamore 芯片能够在 200 秒内完成计算，而传统计算机通常需要 10,000 年才能完成计算。 这一成就是谷歌量子霸权的催化剂，被全世界认可为量子计算领域的重大突破。 随后，这催生了该领域的进一步研究和进步。

2021 年，Sycamore 又向前迈出了一步，证明它可以修复计算错误。 然而，该过程本身随后引入了新的错误。 量子计算的一个常见问题是，与经典系统相比，其计算准确率仍然不足。 

使用具有两种可能状态（0 和 1）的位（二进制数字，计算机数据的最小单位）来存储数据的计算机将纠错作为标准功能。 当某个位变为 0 而不是 1 或反之亦然时，此类错误可以被捕获并纠正。

量子计算面临的挑战更加复杂，因为每个量子比特同时以 0 和 1 的状态存在。如果您尝试测量它们的值，数据将会丢失。 一种长期存在的潜在解决方案是将许多物理量子位分组为一个“逻辑量子位”（由量子算法控制的量子位）。 尽管逻辑量子位以前就已经存在，但它们并没有用于纠错。

破坏性影响

一些研究机构和人工智能实验室一直在研究如何制造能够自我纠正的逻辑量子位。 例如，美国杜克大学和联合量子研究所将在 2021 年创建一个作为单个单元运行的逻辑量子位。通过基于量子纠错码，可以更轻松地检测和纠正错误。 此外，该团队还使量子位具有容错能力，以遏制上述错误带来的任何负面影响。 这一结果首次证明逻辑量子位比其创建过程中任何其他所需步骤都更可靠。

利用马里兰大学的离子阱系统，该团队能够用激光冷却多达 32 个单独的原子，然后将它们悬挂在芯片上的电极上。 通过用激光操纵每个原子，他们能够将其用作量子位。 研究人员已经证明，创新设计有一天可能会使量子计算摆脱当前的错误状态。 容错逻辑量子位可以解决当代量子位的缺陷，并且可以成为现实世界应用中可靠量子计算机的支柱。

如果没有自我纠正或自我修复的量子计算机，就不可能制造出准确、透明和合乎道德的人工智能（AI）系统。 这些算法需要大量数据和计算能力才能发挥其潜力，包括确保自动驾驶汽车安全以及支持物联网 (IoT) 设备的数字孪生。

自修复量子计算的意义

投资自我修复量子计算的更广泛影响可能包括： 

• 开发可以处理更多数据同时实时发现错误的量子系统。
• 研究人员开发的自主量子系统不仅可以自我修复，还可以自我测试。
• 增加对量子研究和微芯片开发的资助，以创建能够处理数十亿信息但需要更少能源的计算机。
• 量子计算机能够可靠地支持更复杂的流程，包括交通网络和全自动工厂。
• 量子计算在各个领域的全面工业应用。 只有当公司对量子计算输出的准确性有足够的信心来指导决策或操作高价值系统时，这种情况才有可能实现。

需要考虑的问题

• 稳定的量子计算机还有哪些其他潜在好处？
• 这些技术会如何影响您未来的工作？