IEEE Spectrum杂志7月刊:量子纠错是时候缺少了
2025-09-19 12:16:26
经典作品比特上的直观带头复预定义(上上图)准许通过奇偶校验检测单个比特倒置严重错误,然后进行扫描。电动力学比特的类似预定义(右侧上图)必须检视连续严重错误。(为直观起见,数阐述了非瞬时静止状可逆下的自然语言电动力学比特。奇偶校验是一种电动力学计算,结果时会造成了兼具各种概率的离散结果,将连续严重错误变换为离散严重错误并准许通过电动力学比特倒置来扫描电动力学比特静止状可逆。)
电动力学力学在检视严重错误时增大了一些精细性:第一个缺陷是计算从根本上扰乱了电动力学遏制系统。例如在三个电动力学比特上编码方式文档时,直接辨别它们以核查严重错误带头而时会严重破坏它们的静止状可逆(就像薛定谔的猫中的,推开盒三子时,电动力学可逆将随之而来正因如此彻底改变)。
第二个缺陷是电动力学力学中的的一个前提结果——不可他的团队等式:我们不显然制作未知电动力学可逆的极致副本。如果告诉他了电动力学比特的不得而知瞬时可逆,那么同一静止状可逆下造成了假定数目的其他电动力学比特就没缺失;但是一旦算出正试图试运行,并且取而代之告诉他电动力学比特仍然形态学到什么静止状可逆,除了复制整个现实生活之外,无法制造该电动力学比特的而出名副本。
巧合的是,我们可以避开这两个障碍。将首先应用领域于经典作品的“三比特带头复码”下例阐述如何规避计算缺陷:其实不必即可告诉他每个预定义比特的静止状可逆来辨别哪个预定义比特(如果有)被倒置了。只必即可带头问两个缺陷:“比特1和2是一样的吗?”和“比特2和3是一样的吗?”这些被特指奇偶校验缺陷。缺陷的答案必即可确定哪个比特倒置了,然后就可以对该比特进行带头倒置以更正严重错误,可以进行所有这些变换,而无即可确定每个预定义比特所涵盖的值。
授予奇偶校验的值几乎必即可电动力学计算,但它时会阐明潜在的电动力学文档:额外的电动力学比特可以可作一次性人力来赚取奇偶校验值,而时会泄露(因此也时会扰乱)编码方式文档本身。
那么“不可他的团队等式”呢?事实断言,可以有别于静止状可逆未知的电动力学比特,并以不他的团队原始文档的方式在多个电动力学比特“瞬时”中的对该隐蔽静止状可逆编码方式。这一现实生活准许在三个化学电动力学比特上记录差不多单个自然语言电动力学比特的文档,并且可以制订奇偶校验和更正必即可来保护自然语言电动力学比特不受谐波负面影响。
然而,电动力学严重错误不数数是比特倒置严重错误,直观的三电动力学比特带头复预定义不适合预防所有显然的电动力学严重错误。其实的QEC必即可更是多东西。1990九十年代中的期,贝尔飞行测试室的Peter Shor阐述了一种计划,通过将带头复预定义填充到另一个预定义中的,将一个自然语言电动力学比特编码方式为九个化学电动力学比特。Shor的计划可以预防任何一个化学电动力学比特上的假定电动力学严重错误。
从那时起,QEC领域开发了许多基础上的编码方式计划,这些计划中的每个自然语言电动力学比特应用领域于更是更少的化学电动力学比特(大部份的为五个),或者涵盖其他耐用性减慢。如今,电动力学电三子算出机中的大规模无损的主要预定义是“微小码”,它在1990九十年代后期通过借出拓扑学和高能化学学中的的奇异算术而发展起来。
将电动力学电三子算出机视为由自然语言电动力学比特和自然语言道门组成是很不方便的,它们位于化学电子元件的底层遏制系统化之下。这些化学电子元件容易受到谐波的负面影响,从而造成了随时间会有的化学严重错误。定时进行总称奇偶校验计算(特指症计算)辨别化学严重错误,并在它们在自然语言级别造成危害之前将其消除。
然后,应用领域于QEC的电动力学算出由起到于电动力学比特的道门带头向、症计算、严重错误推断和扫描组成。QEC是一种测试者稳定形式,它应用领域于间接计算来授予无损所即可的文档。
当然,QEC并非万无一失。例如,如果倒置了多个比特,则三比特带头复预定义将收场;而且,创建编码方式电动力学可逆和制订症计算的人力和程序本身容易出错。那么,当所有这些现实生活本身都缺失时,电动力学电三子算出机如何制订QEC呢?无损时间尺度可以所设计为容忍每个之前起因的严重错误和短路,无论是在化学电动力学比特、化学道门,甚至在用于推断严重错误存在的计算中的!这种所设计被特指容错Core(fault-tolerant architecture),原则上准许严重错误鲁棒(error-robust)的电动力学检视,即使所有组件都不确实。
较宽时间的电动力学算出将必即可许多电动力学无损(QEC)带头向。每个带头向将仅限于起到于编码方式电动力学比特的道门(制订算出)、症计算,从中的可以推断出严重错误并对其进行扫描。通过仅限于电动力学遏制技术(由橙色侧面问到)来稳定和框架这些现实生活,可以大大大幅提高QEC测试者交叉点的合理性。
即使在容错Core中的,额外的精细性也带来了新的的短路种系统。因此,只有当遏制系统化化学严重准确度不太高时,才能在自然语言层级减更少严重错误负面影响。
特定容错Core可以确实检视的远超过化学严重准确度特指“盈亏平衡状可逆严重错误持续性”——如果严重准确度低于此持续性,QEC现实生活极端于在整个带头向内抑制严重错误;但是,如果严重准确度更少于持续性,增大的一台只时会使整体情况下越发不太显然。
容错QEC理论模型是框架确实电动力学电三子算出机的遏制系统化,因为它为框架任何规模的遏制系统在此之后了道路。如果在更少于某些耐用性敦促的变换系统上合理借助QEC,则严重错误负面影响可以降低到假定顶层,从而必即可制订假定较宽的算出。此时,QEC又将如何规避连续严重错误呢?答案在于电动力学计算的某种程度。
在瞬时可逆的近似于电动力学计算中的,只有更少数离散结果是显然的,并且化学静止状可逆时会起因变动以匹配计算结果。通过奇偶校验计算,此更是改时会有所帮助。现实生活一下,有一个由三个化学电动力学比特组成的预定义块,其中的一个电动力学比特静止状可逆仍然偏移了难得静止状可逆。如果制订奇偶校验计算,则显然只有两个结果:大多数情况下下,计算将份文件无严重错误的奇偶校验静止状可逆,并且计算在此之后,所有三个电动力学比特都将正处于准确静止状可逆;更少数情况下,计算值时会务必奇数奇偶校验静止状可逆,这这样一来严重错误的电动力学比特仍然基本上倒置。
换句话说,制订QEC将小的连续严重错误变换为不常见但离散的严重错误,类似于小数电三子算出机中的再次出现的严重错误。
数据分析职员以前仍然在飞行测试室中的简介了QEC的许多前提原理:从带头复预定义的遏制系统化知识到精细编码方式,对码字的自然语言运算以及带头复计算和扫描带头向。目前对电动力学变换系统的盈亏平衡状可逆持续性的预估使其在1000次变换中的数有约严重错误1次,虽然这种耐用性水准尚未在QEC计划的所有组成部分中的借助,但数据分析职员仍然借助了多电动力学比特自然语言,每1000次变换的严重错误不到5次。
在化学严重准确度刚好低于持续性的遏制系统上,QEC必即可不小的冗余才能将大幅提高自然语言阈值;随着化学阈值再进一步低于持续性,它越发不那么兼具技术性。因此,数数连接起来严重错误持续性是不够的,必即可更是大的努力击败它。如何算是这一点?
检视电动力学电三子算出机严重错误的挑战是稳定动可逆遏制系统不受外部扰乱的挑战之一。虽然电动力学遏制系统的算术法则各有不同,但这是遏制工程学科中的的熟悉缺陷。正如遏制理论模型可以帮助设计者框架必即可在跌倒时更正自己的一台人一样,电动力学遏制工程可以提出在实际化学变换系统上借助直觉QEC预定义的最佳作法:电动力学遏制可以远超过限度地减更少谐波负面影响,并使QEC切实可行。
从某种程度上讲,电动力学遏制包括框架QEC中的应用领域于的所有化学现实生活借助方式:从单个自然语言变换到制订计算的方式。例如,在基于超导电动力学比特的遏制系统中的,通过用辐射波形照射电动力学比特来倒置电动力学比特。一种作法是应用领域于直观特性的波形将电动力学比特的静止状可逆从朗道球形的一也就是说移动到另一极;如果波形因谐波而失真,则时会造成了严重错误。事实断言,更是精细的波形,即使在新的波形不极致借助的情况下下,也可以在基本上相同的谐波条件下加剧电动力学比特事与愿违静止状可逆的严重错误更是更少。
超导电动力学比特可以应用领域直观的辐射波形来倒置,该波形将电动力学比特的静止状可逆从0到1(上上图)。但谐波时会在事与愿违右侧边引入严重错误,造成了更是奔袭的路径的精细波形可以减更少事与愿违右侧边的最低严重错误。在这里,选择路径是为了也就是说谐波对波形幅度的负面影响(中的上图)或同时在波形的幅度和相位(右侧上图)中的的负面影响。
电动力学遏制工程包括在给定遏制系统的特定不极致实例中的分析和所设计此类任务的最佳波形:它是羧酸(免计算)遏制的一种形式,也是对QEC中的应用领域于的闭环测试者遏制的补充。这种羧酸遏制还可以彻底改变化学层严重错误的统计存量,以更是好地与QEC结论相适应。例如,QEC耐用性受到自然语言块中的这样一来情况下严重错误的受限制,并且各个电子元件显然时会有很大差异。
Q-CTRL制作团队应用领域于IBM一台进行的一项飞行测试中的表明,波形框架将群集电动力学比特中的最佳情况下和这样一来情况下严重错误密切关系的差异降低了10倍以上;同时也断言,将电动力学遏制技术填充到算法中的可以将其整体成功率大幅提高几个数目级。这种技术使QEC协议更是有显然准确辨别化学电动力学比特中的的严重错误。
25年来,QEC数据分析职员主要注意编码方式电动力学比特和合理检测编码方式交集中的严重错误的算术策略。直到近来,数据分析职员才开始应付一个棘手的缺陷:即如何在实际变换系统中的众所周知地借助完整QEC测试者交叉点。虽然QEC技术的许多领域仍然成熟之前,但也越来越意识到,可以将QEC和遏制理论模型结合起来。这种作法将把电动力学算出演变成现实。
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来自:红光三子盒
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