三家量子公司的「纠错」创新：企业应用更进一步！
光子盒研究院
近期，三家初创公司宣布在量子计算纠错方面取得突破，这将推动企业更快地采用量子计算技术。
尽管量子计算技术仍处于起步阶段，但其面临的最大挑战之一是量子比特的脆弱性，这导致需要更多的冗余来保证可靠性。事实上，当前的量子计算机需要数千甚至上万个量子比特才能创建一个功能性的逻辑量子比特。
解决方案是什么？纠错。
花旗集团创新实验室首席技术官兼花旗加速器全球负责人约拉姆·阿维丹（Yoram Avidan）表示：“对于企业用户而言，纠错至关重要。”
他指出，纠错技术可以确保量子计算的准确性和可靠性，尤其对于金融监管等领域尤为重要。阿维丹指出：“纠错功能对于实现稳定、可预测和准确的量子解决方案至关重要，尤其是在金融应用中。”
与此同时，花旗集团已经开始尝试使用现有技术。他们利用基于云的服务Amazon Braket来了解量子计算机在处理投资组合优化任务方面的能力。Amazon Braket支持多种物理量子计算机，包括IonQ、Rigetti、Oxford Quantum Circuits和QuEra的计算机，并提供了模拟器。
为了将其投资组合优化代码调整到量子平台上，花旗集团还与总部位于以色列的量子计算软件平台初创公司Classiq合作。这使得花旗集团在量子计算机最终达到实用规模的竞争中处于领先地位。
而这一天可能比预期的更近：因为近几个月来取得了几项纠错技术方面的突破，有些甚至即将投放市场。
据该公司称，他们成功地展示了一种方法，可以提高单个物理量子比特的可靠性14%，从而减少了一个逻辑量子比特所需的总量子比特数。
论文链接：https://arxiv.org/abs/2310.11400
公司总裁兼首席技术官朱利安·雷米尔（Julien Camirand Lemyre）表示，他们计划在两年内拥有一个完整的量子计算系统，并于2028年推出客户可购买的产品。
“我们可能会通过云平台提供连接，同时也会为一些客户提供内部使用。”除了亚马逊Braket，谷歌和微软Azure也提供了量子计算机的云访问。
雷米尔表示，Nord Quantique的量子计算机推出时将至少拥有100个逻辑量子比特。相比之下，目前最大的量子计算机是IBM的“量子秃鹰”（Quantum Condor），它拥有1121个量子比特，安装在一个10英尺高、6英尺宽的超级冰箱里。不过，目前还不清楚Nord Quantique的逻辑量子比特与Condor的1121个物理量子比特相比如何。
通常情况下，一个可用的逻辑量子比特需要1000个物理量子比特或更多，但IBM也在尝试自己的纠错方法。
通常情况下，一个可用的逻辑量子比特需要1000个物理量子比特或更多，但IBM也在尝试自己的纠错方法。Nord Quantique声称，他们的纠错方法比某些替代方法更为有效。
另一个优势是速度，雷米尔表示，该系统的运行时钟频率为兆赫兹，比某些竞争系统快100到1000倍。
发明了Nord Quantique所用纠错方法的谢布鲁克大学教授巴蒂斯特·罗耶（Baptiste Royer）解释说，其核心原理是将一个装满光子的小容器连接到一个物理比特上。
这个容器是一块核桃大小的铝片，内部镂空并打磨成镜面光泽。然后，通过引入一束光，更确切地说，是一束看不见的微波频谱中的光子在里面跳动，光子与物理比特相连，提供冗余。
罗耶解释说，由于光子非常小（事实上，它们的质量为零），因此“你可以在里面装下很多光子”。他表示，每增加一个光子，冗余度就会增加，从而实现更好的纠错效果，但最终，好处也会逐渐消失。
他认为，这种方法特别适用于基于超导电路的量子计算机，但理论上也可以应用于其他类型的量子计算机，包括建立在捕获离子、量子点、光子和中性原子之上的量子计算机。
QuEra采用中性原子代替超导电路，最近也宣布在纠错方面取得了突破。公司首席营销官尤瓦尔·博格（Yuval Boger）表示：“我们的一些实验只用了8个物理量子比特就做出了一个逻辑量子比特。”
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06927-3
随后，该公司在1月份发布了一份路线图，说明他们的新型纠错计算机将于何时向公众开放。
据QuEra称，该公司将于今年（2024年）推出一款商用量子计算机，该计算机将采用其基于横向门的新型纠错机制，拥有10个逻辑量子比特。这些门可以防止量子比特之间的错误传播，从而降低错误率。
预计到2025年，该公司将拥有一种新型纠错机制——魔态蒸馏，以实现拥有30个逻辑量子比特的量子计算机。魔态蒸馏可以实现更多种类的门，这是向制造通用量子计算机而不是今天的专用计算机迈出的关键一步。
此外，该公司预计在2026年推出100逻辑量子比特计算机，这将使量子计算机超越经典计算机的极限。
然而，QuEra的计算机速度较慢。博格表示：“我们不想把纠错和速度混为一谈。”他指出，速度是另一个问题，因为不同技术的运行速度各不相同。
QuEra公司从2022年11月起就在亚马逊Braket上提供量子计算机。博格表示，一台计算机从实验室到投入生产可能需要几个月的时间，因此一些早期客户今年就可以通过云计算获得它。
“等待名单已经开放。”他补充说，明年将向所有人开放。
客户也可以订购内部版本的计算机。他解释说：“如果他们今天下订单，2025年就能拿到。”然而，他指出，生产这些计算机需要一年或一年半的时间，因为它们是按订单生产的。
他同时指出，这些计算机并不会立刻改变世界。他表示：“如果你想模拟一个由10个量子比特组成的量子电路，你可以在手机上完成。但早期客户将能够开始学习如何纠错、如何编写量子软件，并开始测试算法。”
Alice&Bob首席执行官泰奥·佩罗宁（Théau Peronnin）表示，公司也在使用弹跳光子的技巧，但不是绕着镜面球跳动，而是绕着电子电路跳动。
他补充说，IBM和谷歌也在尝试这种方法，但它们只使用单光子。与Nord Quantique一样，Alice&Bob也采用多光子技术，并使用低密度奇偶校验码。类似地，IBM也在其量子计算机中尝试使用这种方法。
然而，Alice&Bob在纠错方面的最大突破来自于猫量子比特（以薛定谔的猫命名），它减少了噪音的维度数量。
佩罗宁表示，通常情况下，量子比特会像普通比特一样，在不应该出现的情况下从零切换到一，并且它们还可以改变相位。Alice&Bob的猫比特纠错技术几乎完全消除了从零到一的切换可能性。
他指出：“我们这样做会稍微降低相移的性能，但幅度很小。”这样一来，制作一个逻辑量子比特所需的物理量子比特总数就减少了200倍。因此，例如，谷歌最先进的计算机运行加密破解肖尔算法需要2千万个量子比特，而我们只需要不到10万个量子比特。
此外，这种方法比QuEra提供的方法更快。佩罗宁补充道：“QuEra所做的事情绝对漂亮，但归根结底，我们是在制造计算机。”他强调了速度的重要性。
目前，Alice&Bob尚未推出商用计算机，但在接下来的几个月里，他们计划在三大云提供商中的一家上架。
他表示：“目前，我们只为特殊客户提供内部服务。”
例如，使用Nord Quantique公司目前的纠错系统，一个逻辑量子比特不再需要1000个物理量子比特，而可能只需要100个。
卢塞罗表示：“这是非常可观的进展。”但他也指出，增加纠错编码可以进一步减少所需的物理比特总数。他解释说：“这种编码有几十种。”根据编码效率，这些编码似乎可以进一步降低制作一个逻辑量子比特所需的物理量子比特数量。
然而，更大的问题是确定哪种类型的量子比特会成为标准。他说：“不同类型的量子比特可能更适合不同类型的计算。”这正是早期测试可以发挥作用的地方。高性能计算中心已经可以购买量子计算机，而任何拥有云账户的人都可以在线访问量子计算机。
通过云连接使用量子计算机成本更低，速度更快。此外，它还为企业提供了更大的灵活性。卢塞罗戏谑道：“你可以登录后说：‘我想使用IonQ的捕获离子。下一个项目，我想用 Rigetti，而另一个项目，我想用另一台计算机’。”
然而，长远来看，独立的量子计算机并不一定是最好的发展方向。
“如果你拥有高性能计算能力，那么它将拥有用于一种计算类型的GPU，用于另一种计算类型的量子处理单元，用于另一种计算类型的CPU——这对最终用户来说将是透明的。”
他认为，系统会自动将任务分配给相应类型的处理器。
[1]https://aws.amazon.com/cn/braket/
[2]https://quantumcomputingreport.com/nord-quantique-describes-a-new-and-efficient-type-of-quantum-error-correction-scheme-based-upon-based-upon-reservoir-engineering-of-gkp-states-in-a-superconducting-device/
[3]https://www.quera.com/press-releases/harvard-quera-mit-and-the-nist-university-of-maryland-usher-in-new-era-of-quantum-computing-by-performing-complex-error-corrected-quantum-algorithms-on-48-logical-qubits
[4]https://alice-bob.com/2024/01/25/more-quantum-computing-with-fewer-qubits-meet-our-new-error-correction-code/
[5]https://www.networkworld.com/article/1308630/error-correction-breakthroughs-brings-quantum-computing-a-step-closer.html