糾錯不能，量子計算遇難題

終於，在數十年的努力後，人類距離達成「實現通用量子計算」這一目標可以說是已經近在咫尺。從兩年前 IBM 造出第一台 5 量子比特（qubit）的計算機（IBM Q）那會到現在，全球已有 70,000 個用戶註冊並使用過過IBMQ，而 IBM 今天的量子計算機所用到的量子比特數也是翻了一番。

在過去的幾個月里，IBM 和英特爾宣布他們分別造出了使用 50 個和 49 個量子比特的量子計算機。

所謂「即將到來的『量子優勢』」，是指量子計算機在處理任務的時候可以完虐當今最好的經典超級計算機。雖然從使用的比特數量上來說，這聽起來可能很荒謬——50 個 qubits vs. 數十億個經典比特，但量子計算的重點就在於它用的是量子位，而不是經典位。

長期以來，50 個量子位被業界認為是量子計算機完全超越傳統計算機所需的比特數量。而谷歌也曾在 2017 年中旬宣布，他們最快能在2017 年年底前就實現量子計算的「量子優勢」。

圖 | 量子計算機必須能處理好雜訊問題，否則就會出現錯誤

讀到這裡，你可能會覺得量子計算的基礎物理問題已經得到了解決，剩下的只是工程設計上的事。但現實是，量子計算相關的基礎物理問題還有很多沒有解決，而我們在實踐中也很難跳過這些問題不談。

儘管我們可能正在逐漸接近實現量子計算的里程碑，但到底量子計算機是否會在未來一兩年內徹底改變人類的計算方式還是一個未知數。

圖 | 位於紐約 YorktownHeights 的 Thomas J.Watson 研究中心的 IBM 量子計算中心將量子計算機放在大型低溫容器（最右邊）中，使其被冷卻到接近絕對零度的溫度。

難題

量子計算需要讓所有的量子位都持續處於一種「相干態」，而這並不是一件簡單的事。量子相干系統與周圍環境之間的相互作用會創造一個通道，而相干性則會在一個被稱為退相干的過程中迅速通過該通道被「泄漏」出來，因此，研究人員必須設法避免退相干現象的發生。

目前「相干態」僅能維持幾分之一秒，而隨著量子比特的數量以及與環境相互作用的可能性的增加，這個挑戰將變得越來越大。這也是雖然量子計算的概念早在 1982 年就被理查德·費曼（RichardFeynman）提出，但理論部分在 20 世紀 90 年代才被研究出來的原因之一。

而直到今天，人們才開始研究如何造出能真正進行有意義量子計算的設備。

糾錯

量子計算難以被實現的第二個主要原因，是它像大自然中其它所有的過程一樣，存在「雜音」。從量子比特中的熱量，或是從更為深層的量子物理過程中產生的隨機波動，將可能使量子比特的狀態翻轉或隨機化，導致計算失敗。雖然在經典計算中也存在這個問題，但在經典計算中處理它們只需保留每個計算位的兩個或多個副本，以便在隨機翻轉的位出現時有所準備。

雖然研究人員目前已經制定了如何在量子計算中處理這類雜訊的策略，但目前的這些處理方法會大幅增加計算成本——所有的計算能力都被用來糾錯，而不是運行演算法。馬里蘭大學（University of Maryland）量子信息和計算機科學聯合中心的聯合負責人 Andrew Childs 說：「當前的錯誤率明顯限制了可以執行的計算的長度。如果想要進行高級的運算，就不得不首先處理好這個問題。」

目前對量子計算的研究大多致力於改善計算的糾錯方式。其中，部分問題源於量子系統的另一個關鍵性質————如果不測量，疊加態就會一直維持下去。如果你做了一次測量，量子位的疊加態就會坍縮至一個確定的結果：1 或 0。所以，如果我們不知道一個量子位是到底代表的是 1 還是 0，又該怎樣判斷它處沒出錯呢？

當下較受歡迎的一個解決方案使用的是一種間接方法，通過將量子比特耦合到另一個「參數」量子位，該「參數」量子位並不參與計算，但是可以在不破壞主量子位本身的狀態的情況下被測量。雖然實施起來很複雜。但這樣的一個方案意味著，如果要構建一個真正的「邏輯量子位」，我們就需要更多的量子位。

那我們到底又需要多少「參數」位呢？對此，哈佛大學量子理論家 AlánAspuru-Guzik 估計，目前做出一個運算用邏輯量子位需要用 10,000 個額外的物理量子位來糾錯，而這是一個完全不切實際的數量。

AlánAspuru-Guzik 認為，在樂觀的情況下，這個數字可能會減少到到幾千甚至上百。Eisert 對此的看法則較為樂觀，認為800 額外的個量子位可能就夠了，但即使如此，Eisert 也認為這種方法的「成本」很高，我們需要一個更好的糾錯方法。

糾錯的另一種方法是避免錯誤或消除它們的影響，即所謂的錯誤減輕（error mitigation）。例如，IBM 的研究人員正在開發一種計算方法，用於計算在計算中可能發生的錯誤數量，然後將計算推向「零雜訊」極限。

目前，有一些研究人員認為，糾錯的問題將會變得很棘手，並使量子計算機無法成為現實。以色列耶路撒冷希伯來大學的數學家 Gil Kalai 表示：「編寫量子糾錯碼的任務比展示量子優勢更為困難。沒有糾錯能力的設備在計算上是非常原始的，而基於原始的優勢是不可能實現的。」換句話說，如果沒有解決糾錯問題，量子計算就不可能會比傳統計算做的更好。

也有一些科學家認為，該問題最終會得到解決。IBM Thomas J. Watson 研究中心的量子信息科學家 Jay Gambetta 說：「我們最近在 IBM 進行的實驗已經證明了小型設備中量子糾錯基本元素的可行性，為設計能穩定存儲量子位的大規模設備鋪平了道路」，但即便如此，Jay Gambetta 也承認道：「一個必須使用邏輯量子位的通用容錯量子計算機還有很長的一段路要走。」但 Gambetta 的態度仍較為樂觀，他說：「我確信我們會看到改進糾錯實驗的成功，但要將糾錯方法用於真實的計算可能還需要一段時間才行。」

容錯

目前，量子計算都將會出現大量的錯誤，問題在於我們如何應對。在 IBM，研究人員正在討論業內近期看好的「近似量子計算」方法，即尋找適應「雜訊」的方法。

這就要求可以容錯的演算法。Gambetta說：「一個足夠大，高保真的量子計算設備應該會相比傳統計算機具有一些優勢，即使它不能進行完全容錯的計算。」

這種容錯方法最直接的應用對科學家而言可以算得上是無價之寶——模擬原子級別上的東西。量子力學中的方程規定了一種計算分子（如藥物分子）性質（如穩定性和化學反應性）的方法，但如果不進行大量的簡化，它們就不能被經典計算所解決。

Childs 說：「相反，電子和原子的量子行為與量子計算機本身的行為相當接近，所以可以構建一個精確的計算機模型。包括我在內的許多業內人士都相信，量子化學和材料科學將是這類設備第一個被派上用場的地方。」

量子模擬甚至在迄今為止可用的小型的量子計算機上證明了它們的價值。包括 Aspuru-Guzik 在內的一批研究人員開發了一種稱為變分量子本徵態（VQE）的演算法，該演算法即使在量子比特有雜訊的情況下也能有效地找到分子的最低能態。

到目前為止，它只能處理只擁有很少電子的小分子。雖然這些經典計算機已經可以進行十分精確模擬，但 Gambetta 和同事在去年九月在 IBM 已經使用了一個 6-qubit 裝置來計算包括氫化鋰和氫化鈹在內的分子的電子結構，而量子計算機的計算能力在逐步提升。據瑞士蘇黎世聯邦理工學院的物理化學家Markus Reiher 介紹，這項工作是「量子系統的一次重大飛躍」。Gambetta 說：「用 VQE 模擬小分子是近期驗證量子演算法可行的一個經典安利。」

但即使是在這項應用中，Aspuru-Guzik也承認，在量子計算機真正超越經典計算機前，人們首先需要一個能糾錯的邏輯量子比特系統。Aspuru-Guzik 說：「當容錯量子計算成為現實時，我一定會感到非常興奮。」

Reiher 對此補充道：「如果我們有超過 200 個邏輯量子位，我們可以在量子化學方面超越經典演算法。而如果我們能有大約 5000 個這樣的量子位，量子計算領域就會發生革命性的變化。」

容量

儘管量子計算所面臨的挑戰十分嚴峻，量子計算機還是在短短一年多的時間裡從 5 個量子比特快速增長到了 50個量子比特。但是我們不應該太在意這些數字，因為比起一台設備用上了多少量子比特，我們更應該關注其演算法是否高效。

任何量子計算必須在退相干啟動和擾亂量子位之前完成。通常，量子比特組會有一個長達幾微秒的退相干過程。在這一短暫的瞬間，可執行的邏輯操作數量取決於量子門的切換速度，如果這個速度太慢，那使用再多的量子比特也幫不上忙。計算所需的門操作的數量被稱為該運算的深度（depth）：雖然低深度（淺層）演算法比高深度演算法更可行，但問題它是否能被來執行有意義的計算。

更重要的是，並非所有的量子位都具有相同的嘈雜程度。在理論上，應該可以從某些材料的所謂拓撲電子狀態中做出超低雜訊的量子位，其中用於編碼二進位信息的電子狀態的「形狀」會賦予量子位（應對隨機雜訊的）一種保護。微軟的研究人員目前正致力於在外來的量子材料中尋找這樣的拓撲態，但不能保證這樣的拓撲態就會被發現並被應用。

IBM 的研究人員提出了一個名為「量子體積」的參數，它將所有相關因素捆綁在一起：量子比特的數量和連通性，演算法的深度以及其他量度門的質量，如嘈雜程度，從而量化表示一台量子計算機的計算能力。Gambetta 表示，目前最好的解決方法是開發量子計算硬體來增加可用的量子體積。

一台 50-qubit 量子計算機輕鬆超過一台超級計算機的概念確實聽起來很誘人，但它面臨著很多問題。比如，如何確定量子計算機已經得到了正確的運算結果？如何確定經典計算機不會做得更好？

目前對於量子優勢這一概念而言，一次實際的超越證據對業界來說是十分重要的。Eisert 說：「證明一個明確的量子優勢將會是一個重要的里程碑，它將證明量子計算機確實能夠擴展技術上的可能性。」

如果量子計算取得成功，像IBM 和 Google 這樣的公司應該不會馬上就在市場上推出這類優質的新設備，而是通過開發人員和用戶之間的互動來提升性能。因為只有在有足夠的信念認為這項工作是值得的之後，技術才會獲得相應的發展。這就是為什麼 IBM 和 Google 都熱衷於在項目剛獲得初期成果後就立即對外開放他們的設備。

除了為在線註冊的任何人提供使用 16 量子比特 的 IBM Q 之外，IBM 現在還為摩根大通，戴姆勒，本田，三星和牛津大學等企業客戶提供 20 量子比特的設備。這樣不僅可以幫助客戶發現他們對設備的需求，也能創建一個量子程序員社區，設計並解決實際應用中的問題。

Gambetta 說：「未了讓量子計算走向成熟，我們必須讓世界學會並使用它。而當下，正是讓科學家和市場讓這項技術變得更為成熟的時期。」