图片来源：Quek et al.
量子计算机有可能在一些实际相关的信息处理问题上优于传统计算机，甚至可能在机器学习和优化方面。然而，它们的大规模部署尚不可行，主要是因为它们对噪声敏感，这会导致它们犯错误。
一种旨在解决这些错误的技术被称为量子纠错，旨在“即时”工作，监控错误并在发生错误时恢复计算。尽管近几个月来在这些方面取得了巨大进展，但这一策略在实验上仍然极具挑战性，并带来了大量的资源开销。
另一种方法，称为量子错误缓解，其工作方式更间接：不是在错误出现的那一刻纠正错误，而是运行充满错误的计算（或其修改版本）直到完成。只有在最后，人们才会回过头来推断正确的结果是什么。这种方法被提出作为一种“替代”解决方案，用于在实现完全纠错之前解决量子计算机产生的错误。
然而，麻省理工学院、里昂高等师范学院、弗吉尼亚大学和柏林自由大学的研究人员表明，随着量子计算机的规模越来越大，量子错误缓解技术变得非常低效。
这意味着，减少错误并不是解决量子计算中长期存在的噪声问题的灵丹妙药。他们的论文发表在《自然物理学》（Nature Physics）上，为减轻噪声对量子计算的不利影响的方案提供了指导，这些方案注定是无效的。
“我们正在考虑利用嘈杂的量子门对近期量子计算进行限制，”该论文的合著者Jens Eisert告说道。
“我们的同事丹尼尔·斯蒂尔克·弗朗萨（Daniel Stilck França）刚刚证明了一个结果，该结果相当于近期量子计算的引人注目的局限性。他已经证明，对于去极化噪声，在对数深度上，人们将达到一个量子态，可以用有效的经典采样技术捕获。我们刚刚一直在考虑量子错误缓解，但后来我们想：等等，这对量子错误缓解意味着什么？
Yihui Quek、Daniel Stilck França、Sumeet Khatri、Johannes Jakob Meyer 和 Jens Eisert 最近的论文基于这个研究问题，着手探索量子错误缓解的精确极限。他们的研究结果揭示了量子错误缓解在多大程度上有助于减少噪声对短期量子计算的影响。
“量子错误缓解旨在成为量子纠错的替代品，因为它需要不太精确的工程来实施，因此即使对于目前的实验能力，也有希望它可以触手可及，”该论文的主要作者Yihui Quek告诉 Phys.org。
“但是，当我们眯着眼睛看这些相对简单的缓解方案时，我们开始意识到，也许你不能一边吃蛋糕，要么吃掉它——是的，它们需要较少的量子比特和控制，但这通常是以必须运行整个系统为代价的，令人担忧的大量次。
该团队发现有局限性的缓解方案的一个例子被称为“零错误外推”。该方案的工作原理是逐步增加系统中的噪声量，然后将噪声较大的计算结果转换回零噪声场景。
“从本质上讲，为了对抗噪音，你应该增加系统中的噪音，”Quek解释说。“即使从直觉上看，很明显这是不可扩展的。
量子电路（即量子处理器）由一层又一层的量子门组成，每一层量子门都接受前一层的计算并进一步推进它们。然而，如果栅极有噪声，电路中的每一层都会成为一把双刃剑，因为虽然它确实推进了计算，但栅极本身会引入额外的误差。
“这构成了一个可怕的悖论：你需要多层门（因此是一个深度电路）才能进行非平凡的计算，”Quek说。
“然而，更深的电路也更嘈杂——它更有可能输出废话。因此，计算速度与计算中错误累积的速度之间存在着竞赛。
“我们的研究表明，存在极其邪恶的电路，后者比最初想象的要快得多;如此之多，以至于为了减轻这些邪恶的电路，您需要运行它们不可行的次数。无论您使用什么特定的算法来缓解错误，这都适用。
Quek、Eisert及其同事最近的研究表明，量子错误缓解并不像一些人预测的那样具有可扩展性。事实上，该团队发现，随着量子电路的规模扩大，运行错误缓解所需的工作量或资源大大增加。
“与所有不可行的定理一样，我们希望看到它们不像是表演障碍，而是邀请，”艾塞特说。
“也许与更多几何上本地连接的成分合作，人们会得出更乐观的设置，在这种情况下，我们的界限可能过于悲观。常见的架构通常具有这样的本地交互。我们的研究也可以看作是一个邀请，让我们思考更连贯的量子错误缓解方案。
该研究小组收集的发现可以作为全球量子物理学家和工程师的指南，激励他们设计出替代的、更有效的方案来减轻量子错误。此外，它们可以激发进一步的研究，重点关注随机量子电路的理论方面。
“以前关于量子错误缓解的单个算法的分散工作暗示，这些方案是不可扩展的，”Quek说。
“我们提出了一个框架，可以捕获这些单个算法的大量内容。这使我们能够争辩说，其他人所看到的这种低效率是量子错误缓解本身所固有的，与具体的实现无关。
“这是由我们开发的数学机械实现的，这是迄今为止已知的最强结果，即电路由于物理噪声而丢失量子信息的速度有多快。
未来，Quek、Eisert及其同事的论文可以帮助研究人员快速识别最有可能无效的量子错误缓解方案类型。该团队研究结果的关键概念见解是明确了一种直觉，即远程门（即，量子比特相隔很远的门）既有利又有问题，因为它们容易产生纠缠，推进计算，同时也更快地在系统中传播噪声。
“当然，这提出了一个问题，即是否有可能在不使用这些量子性和其最大敌人（即噪声）的'超级传播者'的情况下获得量子优势，”Quek补充道。“值得注意的是，当在计算过程中引入新的辅助量子比特时，我们所有的结果都不成立，因此可能需要一定数量的辅助量子比特。
在他们的下一步研究中，研究人员计划将重点从他们发现的问题转移到克服这些问题的潜在解决方案上。他们的一些同事已经在这个方向上取得了一些进展，结合使用了随机基准测试和量子错误缓解技术。
更多信息：Yihui Quek 等人，量子误差缓解限制的指数更严格限制，《自然物理学》（Nature Physics，2024 年）。DOI： 10.1038/s41567-024-02536-7.
期刊信息： Nature Physics
