【创科广场】Google建纠错量子电脑 实际应用成功在望

量子运算（Quantum computing）是新一代的运算技术，有机会解决人类最棘手的难题。不过量子电脑的纠错（Error Correction）困难，一直困扰科学家。全球科技企业都为开发可商用的量子电脑而大洒金钱。

 

量子计算机以量子比特（Qubit）的叠加和纠缠状态计算，原理有如分子在自然界的状态，可模仿分子的各种行为和相互作用，以测试和发明新材料，可用于开发电池、室温超导，甚至解决人类的粮食危机。

 

　　2019年，Google宣称率先达到「量子优越性」（Quantum supremacy），其量子处理器Sycamore解决了传统电脑无法解决的难题；今年，中国科大潘建伟教授和陆朝阳的团队，亦公布了76个光子的量子运算「九章」，也达到量子优越性，不过上述两者，皆非于解决实际的难题。

 

　　量子运算暂时缺乏实用性，皆因是靠量测物理性的量子比特（Physical Qubit），依赖量子力学效应（即叠加和纠缠）相当脆弱，容易受干扰而引致错误。

 

　　传统计算机的纠错机制，一般以计算CRC码检测。量子运算每个量子比特，都处于混合的状态，任何直接的检测，都可能破坏数据。

 

　　大部分现实的运算问题，错误率要介乎10^-15以下的精确度，量子计算错误率约为10^-3。目前，量子计算处理尚处于物理原型，只针对独特设计的问题，也就其能处理的问题而已；离开实际商用，还很遥远。

 

拓朴量子运算受挫

 

　　量子计算要解决纠错，一直是最大挑战；其中一种方法是透过拓扑理论，其中又以马约拉纳费米子（Majorana fermion）研究，最广为人熟悉。2018年，Microsoft荷兰台夫特理工大学的研究员，透过半导体材料和超导制作的奈米綫材，宣称发现Majorana fermion存在的证据。

 

　　马约拉纳费米子作为半电子态的准粒子，受到集体拓扑行为的保护，就好像一群人一起跳舞，互相扶持，大大降低所受干扰。问题在过去三年来，无人能证实上述的实验；今年初Microsoft指基于「科学严谨性不足」，终于从《Nature》期刊上撤稿，但有关马约拉纳费米子研究不断，拓朴量子运算是否可行，仍是未知之数。

 

　　Google在量子计算上领先，今年加州Santa Barbara建立了Quantum AI园区，声称10年内商用量子运算。Google Quantum AI首席科学家Erik Lucero向传媒展示Quantum AI各项设施，包括了量子运算数据中心、量子设备硬件研究中心，量度量子比特的特殊房、处理器装配的中心，还有是首部以逻辑比特量子纠错的量子电脑。

 

Google另辟蹊径

 

　　Quantum AI采用是超导量子电脑，在超导环境下运算，再量度处理器的量子比特，超导量子计算的设计复杂，需于超低温下运行，建造维护困难昂贵，必须先以氦气冷却，超导量子电脑状如吊灯，处理器则位于底部，也是最冷冻部分，其馀都是电子元件。

 

　　Lucero表示，一般室温约300Kelvin（约是摄氏26度），量子处理器在低温运作，旁边是液态氦罐，温度约为4Kelvin（摄氏-269.15度），再经压缩和气化热交换降温的层层低温恒温器，到达处理器时，只有10millikelvin（摄氏-273.14度），距离绝对零度的0Kelvin（摄氏-273.15度）只高出仅0.01度！

 

　　低温的原因是Sycamore处理器以铝金属制造，低温下变成了超导状态，温度愈低愈能收集到精确的量子比特讯号，大大减低了杂讯。

 

　　超低温就为了产生超导，尽量消除所有干扰，但其实Google的量子电脑，仍受大量的杂讯干扰，加上超导量子比特的「退相干」（Decoherence）时间很短，量子操作要在退相干之前完成，记忆又消失很快，更要为物理量子比特作出纠错。

 

　　Lucero介绍了Google正在建造以逻辑量子比特（Logical Qubit）纠错，最终极就是开发出具纠错功能的量子电脑，以达到商用目标。

 

逻辑比特谱出乐章

 

　　理论上，检测量子运算机错误，可将多个物理上量子比特，变成了逻辑量子比特，不破坏逻辑量子比特的储存下，实时发现纠正错误。

 

　　较早前Google在《Nature》就有关研究刊登论文，Sycamore处理器上在嵌入的超导量子比特的二维网格（two-dimensional grid of superconducting qubits）加入一维链重复码（one-dimensional repetition codes），从逻辑比特量子成功验证了纠错超导量子比特的可能性。逻辑比特量子的比特数量从5个增加到21个，抑制逻辑错误的效果，增加了100倍。

 

　　Google是透过电子控制设备建立逻辑量子比特，好比将物理比特量子的讯号，把波浪变成了乐谱，加入逻辑量子比特后，再通过统计方法纠错。量子电脑处于极低温下，内部没有任何地磁场（Earth magnetic field），可通过磁性合金（Mumetal），精确搜集数据到电子设备变成逻辑量子比特。

 

　　重复码基于对逻辑错误的抑制，可实现倍数增长。Google发现每增加一个物理量子比特，逻辑量子比特的错误率，可大幅下降。虽然不能直接检测每一个额外的量子比特，但逻辑量子比特可一起测量，仍推断出量子运算是否发生了错误。

 

　　Google预计可以1000个物理量子比特，制造出一个逻辑量子比特，再一同作运算。但条件是采集数据的保真度（Fidelity）必须足够高，加上Sycamore处理器，只有54个物理量子比特，路途仍然遥远。

 

　　目前量子计算仍然处于模拟运算（Analog computing）状态，还未进入数码运算（Digital computing），逻辑量子比特纠错一旦取得成功，就可研发出具纠错功能的量子电脑，就可算是真正进入数码时代，并且进入商用阶段。