自修復量子計算機：無錯誤和容錯

• 作者：
• 作者姓名

  量子運行遠見
• 2023 年 2 月 14 日

洞察總結

量子計算代表了計算機處理的範式轉變。 這些系統有潛力在幾分鐘內解決複雜的計算，而傳統計算機需要幾年甚至幾個世紀才能完成。 然而，充分發揮量子技術潛力的第一步是確保它們能夠自我修復其輸出。

自修復量子計算環境

2019 年，包含 54 個量子位的 Google Sycamore 芯片能夠在 200 秒內完成計算，而傳統計算機通常需要 10,000 年才能完成計算。 這一成就是谷歌量子霸權的催化劑，被全世界認可為量子計算領域的重大突破。 隨後，這催生了該領域的進一步研究和進步。

2021 年，Sycamore 又向前邁出了一步，證明它可以修復計算錯誤。 然而，該過程本身隨後引入了新的錯誤。 量子計算的一個常見問題是，與經典系統相比，其計算準確率仍然不足。 

使用具有兩種可能狀態（0 和 1）的位（二進制數字，計算機數據的最小單位）來存儲數據的計算機將糾錯作為標準功能。 當某個位變為 0 而不是 1 或反之亦然時，此類錯誤可以被捕獲並糾正。

量子計算面臨的挑戰更加複雜，因為每個量子比特同時以 0 和 1 的狀態存在。如果您嘗試測量它們的值，數據將會丟失。 一種長期存在的潛在解決方案是將許多物理量子位分組為一個“邏輯量子位”（由量子算法控制的量子位）。 儘管邏輯量子位以前就已經存在，但它們並沒有用於糾錯。

破壞性影響

一些研究機構和人工智能實驗室一直在研究如何製造能夠自我糾正的邏輯量子位。 例如，美國杜克大學和聯合量子研究所將在 2021 年創建一個作為單個單元運行的邏輯量子位。通過基於量子糾錯碼，可以更輕鬆地檢測和糾正錯誤。 此外，該團隊還使量子位具有容錯能力，以遏制上述錯誤帶來的任何負面影響。 這一結果首次證明邏輯量子位比其創建過程中任何其他所需步驟都更可靠。

利用馬里蘭大學的離子阱系統，該團隊能夠用激光冷卻多達 32 個單獨的原子，然後將它們懸掛在芯片上的電極上。 通過用激光操縱每個原子，他們能夠將其用作量子位。 研究人員已經證明，創新設計有一天可能會使量子計算擺脫當前的錯誤狀態。 容錯邏輯量子位可以解決當代量子位的缺陷，並且可以成為現實世界應用中可靠量子計算機的支柱。

如果沒有自我糾正或自我修復的量子計算機，就不可能製造出準確、透明和合乎道德的人工智能（AI）系統。 這些算法需要大量數據和計算能力才能發揮其潛力，包括確保自動駕駛汽車安全以及支持物聯網 (IoT) 設備的數字孿生。

自修復量子計算的意義

投資自我修復量子計算的更廣泛影響可能包括： 

• 開發可以處理更多數據同時實時發現錯誤的量子系統。
• 研究人員開發的自主量子系統不僅可以自我修復，還可以自我測試。
• 增加對量子研究和微芯片開發的資助，以創建能夠處理數十億信息但需要更少能源的計算機。
• 量子計算機能夠可靠地支持更複雜的流程，包括交通網絡和全自動工廠。
• 量子計算在各個領域的全面工業應用。 只有當公司對量子計算輸出的準確性有足夠的信心來指導決策或操作高價值系統時，這種情況才有可能實現。

需要考慮的問題

• 穩定的量子計算機還有哪些其他潛在好處？
• 這些技術會如何影響您未來的工作？