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为何量子计算机遭遇“难产贵阳卵子库”-深兰科技
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  DeepTalk深言堂

  捌月壹贰日,在深兰科学院的“爱因斯坦”会议室举行了一场以量子计算为主题的讲座,就近年备受关注的量子计算机为何迟迟没有面市,进行了阐释,并指出其中最主要的瓶颈在于难以纠正计算误差。但鉴于讲座的内容较为专业,讲师又对当天内容进行了梳理,以尽量通俗的语句进行了再次解读。

  作为深兰科技下属深兰科学院打造的重要的学术阵地、学习平台,DeepTalk由内外部专家、博士组成的讲师团队,定期分享业界动态、 前沿技术、科研成果,行业趋势等,为科研技术人员不断注入学习激情和能量。

  量子计算再解读

  尽管学术和工业界在共同努力,但实用量子计算仍然是难以实现的目标,一个重要的原因是难以对量子比特(qubit)执行纠错。针对经典比特的公认纠错协议是存在的,而且效果也得到认同。由于诸如无克隆定理和基态的量子叠加之类的量子效应,对量子系统进行类似的操作通常要复杂得多。

  在量子计算中,与传统计算一样,信息是以比特编码的。量子计算比特简称量子比特。量子比特存在于两种量子态之一中,通常表示为零和一,这与经典位的情况相同。但是,与经典情况截然不同的是,量子比特可以形成线性叠加以产生叠加量子态。实际上,任何任意的(二能级系统)量子态都由具有固定系数的零和一态的一个的叠加组成。量子态的这种独特特性是量子计算的基础。

  薛定谔的猫:量子叠加照成的其中一个奇特现象

  为了从量子状态中获得有用的信息,必须进行测量。此过程会使叠加态产生波函数坍缩,以产生位值的度量,该值是结果为零或一的概率的平方。为了计算的目的,这种情况不理想。

  在实际的量子计算中,通常通过辅助量子比特来进行测量,其功能是读出量子比特的值而同时不破坏它们之间的固有叠加关系。使用辅助比特来读出量子比特值的必要性不可避免地增加了任何量子计算系统的复杂性,并同时增加了实现实用量子计算机的难度。

  经典比特和量子比特的比较

  在量子计算中,错误通常发生在单个比特的层面上。现有的量子比特纠正方式也多在于纠正单个量子比特的错误。两种常见的量子比特错误是比特翻转和相位翻转错误。当量子比特的态与该处于的态不同(“翻转”)时,即发生位翻转错误。比如说,当测量某个实际应处于一态的比特时,测量会反馈量子比特处于零态的结果,反之亦然。这种错误也发生在经典比特中。

  相位翻转误差是一种误差类型,它是量子计算特有的,并可以将其起源追溯到叠加原理。基本量子态之间的线性叠加意味着基本态之间相对符号的固定;当两个基底态之间的所测量到的符号与正确的符号不同时,即发生了相位翻转误差(基底态之间的相对符号与量子态之间的相位因子中的指数符号之间的差相对应)。

  在本次演讲中,介绍了纠错的三个主要思想:冗余,容错和无退相干子空间。

  冗余 (redundancy)的想法很简单,也被用于经典计算中以纠正错误。举一个简单的例子,如果我们希望纠正在一个量子比特上发生的翻转错误,则可以用三个相同的量子比特对一个比特进行编码。这样,由于另外两个量子位仍然正确,因此在一个量子位中发生的错误不应影响任何测量结果。对多数数量的量子比特的测量仍会反馈正确的答案。使用这种方法,也可以通过使用至少三个线性叠加量子态的乘积对一个量子比特进行编码来纠正相移误差,每个线性叠加态具有固定的相对符号。这样,如果符号之一被翻转,则对量子比特的多数测量将再次产生正确的答案。

  冗余纠错算法

  图源: An Introduction to Quantum puting, P. Kaye, R. Laflamme, M. Mosca

  容错 (fault-tolerance)概念是在存在错误的情况下执行计算,而不会使错误在整个系统中不受控制地 的能力。为了在量子电路中实现这一点,需要仔细设计量子比特之间的连接。另外,用于任意大小的量子线路的阈值定理还假定能够直接对已编码的量子比特执行计算,而无需先对其进行解码(因为这样做会增加产生更多错误的可能性)。这点也慎重体现了容错量子线路设计的重要性。

  容错量子线路图设计:左图设计不容错,右图容错(错误不会蔓延)

  图源:Quantum Error Correction for Beginners, S. Devitt, W. Munro, K. Nemoto

  无退相干子空间 (decoherence-free subspace) 是编码前量子比特的整个希尔伯特空间中的某个受贵阳卵子库限空间,该空间由编码量子位跨越,这些子空间具有抵抗退相干引起的错误的鲁棒性。通过仔细地对量子比特进行编码,可以证明某些线性叠加态只会导致整体相位(globalphase)的乘积,在量子力学里这些相位是没有意义的,因此在进行计算时可以忽略不计。无退相干空间的创制是可以系统化的,其中的过程也和冗余量子比特的设置有关系。

  在本次演讲中,我们试图解释了实现实际量子计算困难的原因。我们观察到错误纠正的主要瓶颈在于软件和硬件的实现:虽然错误纠正的理论基础已经建立并且可以被证明运行良好,但其许多计算的实现都需要额外添加量子比特。当然,这会导致错误的可能性增加,进而需要更多的量子位来纠正它们,也将不可避免地形成恶性循环。因而如果有望实现实际量子计算过程,则需要对错误纠正协议进行突破性改进或对硬件量子比特的控制方式得到突破。

  本次讲座的讲师正在招聘有兴趣进行量子计算和纠错基础研究的 ,其课题也会和量子系统纠错有关系。如果您对这些课题感兴趣,想进一步了解其奥妙,可以留言哦~

  基本要求:

  壹.物理/数学专业的本科/硕士/博士生背景

  贰.了解Python/Julia编程



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