量子计算机在很大程度上仍是理论设备，它们能够以指数级更快的速度完成某些计算任务，相较于传统计算机而言。量子计算机的大多数设计都离不开量子纠错，这有助于保护量子计算所依赖的脆弱量子态。
理想的量子纠错码应能纠正量子数据中的任何错误，而且只需一次测量少量量子比特（即量子位）。但直到现在，只需有限测量的纠错码也只能纠正有限数量的错误——这一数量大约相当于量子位总数的平方根。因此，例如在一台有64个量子位的量子计算机中，它们可以纠正8个错误，却无法纠正10个。
在研究人员将于6月计算机协会计算理论研讨会上发表的一篇论文中，来自麻省理工学院、谷歌、悉尼大学和康奈尔大学的研究人员提出了一种新编码，它能够纠正影响计算机中几乎达到指定比例量子位的错误，而不只是纠正相当于量子位数量平方根的错误。对于规模适中的量子计算机，这一比例可以任意大——不过比例越大，计算机所需的量子位就越多。
“有很多很多不同的方案，但似乎都卡在平方根这一关，”麻省理工学院物理学助理教授、该研究负责人 Aram Harrow 说。“因此，能够超越这一点，是我们对这项工作感到兴奋的原因之一。”
与传统计算机中的比特一样，量子位可以表示1或0，但它也可以处于一种称为“量子叠加”的状态，在这种状态下，它同时表示1和0。这正是量子计算机具有潜在优势的原因：一串处于叠加态的量子位，从某种意义上说，可以并行执行大量计算。
然而，一旦对量子位进行测量，叠加态就会坍缩，量子位也会取确定值。量子算法设计的关键，是操控量子位的量子态，使叠加态坍缩时，结果（以较高概率）就是问题的解。
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然而，保护叠加态的需要使纠错变得困难。Harrow 解释说：“上世纪90年代，人们认为纠错是不可能的。看起来，要弄清楚错误是什么，就必须进行测量，而测量会摧毁量子信息。”
第一个量子纠错码由 Peter Shor 于1994年发明。如今，Shor 是麻省理工学院 Morss 应用数学教授，办公室就在 Harrow 的办公室走廊另一头。Shor 还提出了令量子计算声名鹊起的理论成果：一种算法，可让量子计算机分解大数的速度比传统计算机快几个数量级。事实上，他提出纠错码，是为了回应人们对其分解算法能否实现的质疑。
Shor 的洞见是，可以测量量子位之间的关系，而不测量量子位本身存储的值。例如，一种简单的纠错码可以用三个物理量子位来表示一个数据量子位。可以判断第一个和第二个量子位的值是否相同，也可以判断第二个和第三个量子位的值是否相同，而无须确定它们的具体值。如果发现其中一个量子位与另外两个不一致，就可以将其重置为另外两个的值。
Harrow 解释说，在量子纠错中，“这些测量总是采用‘A是否与B不一致？’这样的形式。只不过，A和B可能不是两个量子位，而是A、B、C、D、E、F、G，是一整组对象。在真实系统中，这类测量可能很难进行。这就是为什么我们非常希望减少必须同时测量的量子位数量。”
时间的具象化
量子计算是量子比特状态的一系列演变。比特处于某种状态；随后经过修改，转变为另一种状态；再经过修改，如此继续。最终状态代表计算结果。
在论文中，Harrow 和同事为计算过程的每个状态分别配置一组量子位；这就像把计算的时间维度转化为空间维度。假设时间5时量子位8的状态会影响时间6时量子位8和量子位11的状态。研究人员的协议会对这三个量子位进行一次上述一致性测量，并修改任何与另外两个不一致的量子位的状态。
由于测量不会揭示任何量子位的状态，修改不一致的量子位实际上可能会引入此前不存在的错误。但这是设计的一部分：该协议旨在确保错误以合乎规则的方式在量子位之间传播。这样，对量子位最终状态进行的测量就能保证揭示量子位之间的关系，而不揭示它们的值。如果检测到错误，该协议可以追溯错误源头并予以纠正。
研究人员的方案或许可以在不实际复制量子位组的情况下实现。但 Harrow 表示，为使该方案高效运行，硬件可能仍需要一定冗余。所需冗余程度尚待确定：当然，如果计算的每个状态都需要一组独立的量子位，计算机可能会变得过于复杂，以至于抵消良好纠错带来的优势。
不过，Harrow 说：“几乎所有稀疏方案最初的逻辑量子位都不多，后来人们才找到增加数量的方法。通常，增加逻辑量子位数量比增加码距——也就是可纠正的错误数量——更容易。因此，我们希望我们的方案也会如此。”
悉尼大学物理学教授 Stephen Bartlett 研究量子计算，他并不认为 Harrow 和同事方案所需的额外量子位特别令人望而生畏。
Bartlett 说：“看起来数量很多，但与现有结构相比，这已经大幅减少。因此，这一构造的一大亮点是，他们确实大大降低了所需数量。”
Bartlett 补充说：“人们曾提出过所有这些性能相当差、受平方根‘N’限制的编码。但人们试图为可能性设定界限，而这些界限表明，也许可以做得好得多。只是我们没有能实现这一目标的构造性实例。这正是让人们兴奋的地方。我们现在知道可以做到，接下来要做的就是让它变得更实用一些。”
本文由我们与 MIT News合作发表。发表本文并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Larry Hardesty 为 MIT News 撰稿。
图片：一幅插画显示一名手持笔记本电脑的男子身上投射着二进制代码。路透社
