为了达到炒作，量子计算机必须修复错误问题

宇航员约翰格伦对信任电脑谨慎态度。

这是1962年，在电脑时代，房间大小的机器已经计算了他即将到来的地球轨道的飞行路径 - 这是美国的第一个。但格伦并不愿意将他的生命委托给可能犯错误的新机器。

宇航员要求Mathematician Katherine Johnson仔细检查计算机的数字，如书中隐藏的数字。“如果她说他们很好，”格伦据说是说：“然后我准备好了。”约翰逊确定计算机，IBM 7090是正确的，格伦的航行成为了太空飞行的庆祝的里程碑（SN：3/3/62，p。 131）。

甚至略微出错的计算机可以击败计算。想象一台电脑，精度为99％。大部分时间都会告诉你1 + 1 = 2。但是每100个计算一次，它都是：1+1=3.现在，在典型的现代计算机中将数十亿或万亿计算的错误率乘以数十亿或数万亿。对于复杂的计算，错误的错误概率可以快速生成无意义的答案。如果美国宇航局一直依靠一台毛茸茸的电脑，格伦将是正确的焦虑。

幸运的是，现代计算机非常可靠。但是新品种强大的计算器的时代正在曙光。科学家期待量子计算机到一天解决标准计算机的问题太复杂（SN：7/8/17，p。 28）。

当前版本相对懦弱，但随着改进，量子计算机有可能在闪电速度下搜索巨大的数据库，或者快速考虑比宇宙年龄的正常计算机的巨大数字。这些机器可以计算复杂分子的性质或解锁复杂化学反应的秘密。这种权力可以加快发现救生药物的发现或帮助削减施用肥料生产的强化工业过程的能量要求。

但是有一个陷阱：与当今可靠的传统计算机不同，量子计算机必须以重大错误困境抓住。随着Glenn的雄心勃勃的飞行，Quantum Calcules Envision Envision Bet Impision很复杂。

如果没有被控制的错误，科学家对量子计算机的高希望可能会崩溃到地球。

脆弱的戒章

常规计算机 - 哪些物理学家称古典计算机与量子品种区别 - 是抵抗错误。例如，在经典硬盘驱动器中，数据存储在位，0s或1s中，其由由许多原子组成的磁化区域表示。大群原子提供了一个内置冗余，使古典位弹性。Jostling其中一个原子不会改变该位的整体磁化和其对应值0或1。

但量子位 - 或Qubits - 本质上是脆弱的。它们是由敏感物质制成的，例如纯粹原子，电子被捕获在硅的微小块中，称为量子点，或小位的超导材料，其导电而不会阻力。错误可以蠕变，因为Qubits与其环境相互作用，可能包括电磁场，热或杂散原子或分子。如果一个代表qubit的单个原子被唤醒，则qubit存储的信息丢失。

另外，计算的每个步骤都有一个引入错误的重要机会。结果，对于复杂的计算，“产出将是垃圾，”荷兰代尔特研究中心Qutech的Quantum物理学家芭芭拉特拉

在量子计算机可以达到巨大巨大的潜力之前，科学家需要掌握用于修复错误的新策略，这是一个称为量子纠错的研究领域。其中许多方案背后的想法是将多个错误夸张的Qubits组合形成一个更可靠的Qubit。该技术在宇宙中似乎是宇宙的自然趋势，最终通过与周围环境的相互作用失去它们的量子，这是一种无情的过程，称为脱干。

“这就像战斗侵蚀，”杜克大学万能工程师Ken Brown说。但量子误差校正提供了一种控制看似无法控制的方法。

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不犯错误

量子计算机从管理Qubits的特殊规则获得权力。与具有0或1的值的经典位不同，Qubits可以采用称为叠加的中间状态，这意味着它们同时保持0和1的值。此外，两个Qubits可以纠缠在一起，它们的值与它们是一个实体相关联，尽管坐在计算机芯片的相对端。

这些不寻常的属性为量子计算机提供了它们的游戏变化的计算方法。可以同时考虑对问题的不同可能的解决方案，错误的答案彼此取消，右侧被放大。这允许计算机快速收敛在正确的解决方案，而无需检查各种可能性。

Quantum Computer的概念在20世纪90年代开始蒸汽，当时MIT Mathematician Peter Shor，然后在默里山的AT＆T Bell Laboratories，发现量子计算机可以快速考虑大数字（在线SN：4/10/14).这是计算机安全专家的可怕前景，因为这样的任务难以实现计算机加密敏感信息的方式至关重要。突然，科学家迫切需要知道量子计算机是否可以成为现实。

Shor的想法是理论上的;没有人证明可以在实践中完成。Qubits可能太柔软，对量子计算机来获得鞋面。“这可能是计算能力的整体差异取决于这种极度准确性，如果你没有这种极度准确性，那么这种计算能力消失了，”耶路撒冷大学的理论计算机科学家Dorit Aharonov说。

但很快，科学家们开始使用纠错方案来理论上可以解决销量，这些错误可以将速度计算成量子计算，并将量子计算机放在更实际的基础上。

对于古典计算机，纠正错误，如果它们发生确实，很简单。一个简单的计划是这样的：如果你的位是1，只需复制三次111。同样，0变为000。如果这些比特中的一个意外翻转 - 例如，111变成110，三位将不再匹配，表示错误。通过获取大多数，您可以确定哪个错了并修复它。

但对于量子计算机，由于几个原因，图片更复杂。首先，称为No-Cloning定理的量子力学原理表示，复制任意量子状态是不可能的，因此Qubits无法重复。

其次，进行测量以检查Qubits的值擦拭它们的量子属性。如果一个Qubit处于0和1的叠加，则测量其值将破坏该叠加。这就像打开包含schrödinger的猫的盒子。当盒子关闭时，这个虚拟的量子物理学中的斑驳似乎是着名的，但是打开它会在一只完全死亡或完全活着的猫，不再在两个国家（SN：6/25/16，p。 9）。

因此，Quantum纠错方案应用了一些工作。而不是对检查错误的Qubits的直接测量 - 打开Schrödinger的猫的盒子 - 科学家们执行间接测量，“测量发生了什么错误，但是留下了你想要保持不受影响和未被测量的误差，”哈拉诺夫说。例如，科学家可以检查两个QUBITS的值是否同意彼此同意，而不会测量它们的值。这就像检查框中的两只猫是否处于相同状态，而无需确定它们是否有活力或两者都死亡。

而不是直接复制Qubits，错误 - 校正方案以冗余方式存储数据，而且信息在多个纠缠Qubits上传播，统称为逻辑量子位。当inpidual Qubits以这种方式组合时，集体变得比其部件的总和更强大。这有点像蚂蚁的殖民地。每个inpidual蚂蚁相对较弱，但在一起，他们创造了一种充满活力的超级大学。

这些逻辑QUBITS成为最终计算机的禁用QUBITS。如果您的程序需要10个Qubits来运行，这意味着它需要10个逻辑QUBITS - 这可能需要一个upotum计算机，其中uketum计算机有数百甚至数千次原始的，错误易于物理Qubits。为了运行一个非常复杂的量子计算，可能需要数百万物理Qubits - 比在厨房柜台上发现昨晚的披萨的蚂蚁更丰富。

创造更强大的超级大生动物的量子票是Quantum纠错的下一步。物理学家已经开始将一些所需的作品放在一起，并希望在未来几年内取得成功。

固定器鞋面

由七个物理Qubits组成的逻辑量子票（量子芯片的假彩色显微镜图像中的黄色）可以检测错误。四个数据QUBITS（D1-D4，上面）存储信息，以及三个Ancilla Qubits（A1-A3）检查两种不同类型的错误。

刮伤表面

大规模兴奋伴随着去年最大的量子计算里程碑：量子至上。2019年10月由谷歌研究人员实现，它首次标志着量子计算机能够解决任何经典计算机不可能的问题（在线：10/23/19).但需要对纠错的需求意味着在量子计算机击中他们的步幅之前还有很长的路要走。

当然，谷歌的电脑能够在200秒内解决问题，即该公司声称将采取10,000年的最佳古典计算机。但是，与当作随机数有关的任务，不足以彻底改变计算。它仍然基于相对不精确的Qubits。这不会为最诱人的和复杂任务削减它，如更快的数据库搜索。“我们需要一个非常小的错误率......运行这些长算法，您只能获得纠正纠错的人，”谷歌量子努力的领导者的物理学家和计算机科学家Hartmut Neven说。

因此，Neven和同事在称为表面代码的错误校正技术上设置了他们的景点。表面代码最嗡嗡的方案，表面代码是超导量子计算机的理想选择，如由包括谷歌和IBM（其开创性经典计算机帮助将John Glenn进入太空的同一家公司的公司）建造的那些。该代码被设计用于布置在2-D网格中的Qubits，其中每个量子位直接连接到相邻QUBITS。方便地，是通常布置超导量子计算机的方式。

与工人和士兵的蚁群一样，表面代码要求不同的Qubits有不同的工作。有些是数据QUBITS，商店信息，其他人是助手Qubits，称为Ancillas。ANCILLAS的测量允许检查和纠正错误而不销毁存储在数据QUBITS中的信息。数据和Ancilla Qubits一起构成一个逻辑量子QUBET，希望较低的错误率较低。构成每个逻辑量子位的数据和ancilla Qubits越多，可以检测和更正的错误越多。

2015年，谷歌研究人员和同事执行了一款简化的表面代码版本，使用排列在一行中排列的九个Qubits。该设置本质上报告，可以纠正一个称为位翻转错误的错误，类似于0到1的0。第二种类型的误差是阶段翻转，对量子计算机是唯一的，并且有效地将负标志插入描述Qubit状态的数学表达式。

现在，研究人员同时解决两种类型的错误。andreas wallraff，eth zurich的物理学家和同事们认为它们可以使用七个qubit计算机检测位和相位翻转误差。他们尚不纠正这些错误，但他们可以确定错误发生的情况并将破坏计算，该团队在6月8日在自然物理学中发布的文件报告。这是修复此类错误的中间步骤。

但要前进，研究人员需要扩大规模。实际交易表面代码所需的最小QUBIT数为17。因此，理论上，可以实现错误率的小改善。但在实践中，它可能需要49个Qubits，而在逻辑Qubit的性能下有任何明确提升之前。误差校正级别应明显延长误差超过qubit之前的时间。随着现在达到50个或更多物理额度的最大量子计算机，量子误差校正几乎在触及范围内。

IBM也在努力建立一个更好的Qubit。除了计算时累积的错误，在Yybm的托马斯J.Watson研究中心在Yorktown Heights，N.Y的IBM的托马斯J.Vatson研究中心的物理学家AntonioCórcoles也会发生错误。他和同事们展示了他们可以检测到准备Qubits时所做的错误，这是在2017年在物理审查信中报告的，在2017年报告的初始价值的过程。Córcoles期待一个可以从所有这些错误中恢复的Qubit。“即使它只是一个单一的逻辑QUBBit - 这将是一个重大突破，”Córcoles说。

与此同时，IBM，谷歌和其他公司仍然旨在使他们的电脑用于特定应用程序，其中错误不违反破碎机：模拟某些化学反应，例如，增强人工智能。但该团队继续追逐量子计算的错误纠正的未来。

达到甚至可以想到纠正错误校正的程度，这是一个很长的漫步。自20世纪90年代以来，科学家们一直在慢慢建立电脑，按QUB比特Qubit。有一件事情是肯定的：“任何给予它严重尝试的人都似乎很难纠正，”Wallraff说。“很多工作正在投入并创造正确的进步似乎需要一些时间。”

在门槛上

对于工作的误差校正，原始物理额度必须保持低于一定程度的片状，称为阈值。高于这个关键号，“纠正纠正只是为了让生活变得更糟，”Terhal说。不同的误差校正方案具有不同的阈值。表面代码如此流行的一个原因是它具有高阈值的错误。它可以容忍相对差不多的夸张。

想象一下，你在算术时真的很糟糕。总结一系列数字，您可以尝试多次添加它们，并选择最常提出的结果。

让我们说你计算三次的计算，三个计算的两个计算都同意。你假设正确的解决方案是两次提出的解决方案。但是，如果你这么出错了，你意外地选择了那个不同意的人？特特哈尔说，试图纠正你的错误可能比好好更好。

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错误校正方法科学家选择不得引入更多的错误，而不是纠正，并且必须比弹出弹出更快的错误。但根据作为阈值定理的概念，在20世纪90年代发现，低于一定的错误率，纠错可能有用。它不会引入比纠正更多的错误。这发现使得量子计算机的前景加强。

“一个人实际上希望得到低于这个门槛的事实是人们开始认为这些计算机可能是现实的主要原因之一，”Aharonov是开发门槛定理的几个研究人员之一。

表面代码的阈值要求Qubits Qubits占时间不到1％的时间。科学家最近达到了某些类型的Qubits的里程碑，提高了表面代码可以在真正的计算机中工作。

得到聪明

但表面代码有问题：为了提高纠正错误的能力，每个逻辑量子票需要由许多杀散物理额度制成，如人口众多的蚁群。科学家们需要许多这些超人风格的逻辑夸张，这意味着数百万的物理额度，做了许多有趣的计算。

由于量子计算机目前较少超过100 QUBits（SN：3/31/18，p。 13），百万QUBBit计算机的日子将来很远。因此，一些研究人员正在寻找一种错误校正方法，这些方法不需要Qubits的OODLES。

“每个人都很兴奋，但是有这些问题，'采取多长时间才能扩展到我们拥有真正强大的计算的阶段？'“耶鲁大学的物理学家罗伯特•罗伯特·布尔科普夫说。“我们的观点在于，实际上您可以使这项任务更容易，但您必须更加聪明，并且关于您构建这些系统的方式更灵活。”

Schoelkopf及其同事使用小型超导微波腔，允许光颗粒或光子颗粒来回反弹。腔内的光子的数量用作编码数据的Qubits。例如，在腔中缠绕在腔中的两个光子可以表示具有0的值的QUBET，并且四个光子可以指示值为1。在这些系统中，可能发生的主要错误类型是光子的损失。超导芯片与这些腔界面的界面，用于在Qubits和Scout上执行操作进行错误。检查光子的数量是偶数还是奇数，可以在不破坏数据的情况下检测到该类型的错误。

使用此方法，Schoelkopf及其同事于2016年在Naturethat中报告，他们可以执行达到突破点的纠错。Qubit刚刚开始显示它更好地纠正的标志。

“对我来说，”Aharonov说：“你真的可以纠正错误是更大问题的一部分。”小鳞片发生的物理学与我们日常生活中的经验不同。量子力学似乎允许完全新的计算。错误校正是了解是否真的可以进行大幅度更强大的计算。

科学家认为量子计算机将证明自己比计算机在太空竞赛中的轨道上的计算机根本上不同。这一次，月亮射击就是表明亨舍是对的。