宇宙射线是量子计算机的致命弱点——软件或许能解决这一问题

# 宇宙射线是量子计算机的“克星” 来源：https://spectrum.ieee.org/quantum-computing-cosmic-rays IBM (https://spectrum.ieee.org/ibm-quantum-computer-osprey)、Google (https://spectrum.ieee.org/quantum-chemistry-largest) 和 Amazon (https://spectrum.ieee.org/amazon-quantum) 正在建造的这类量子计算机 (https://spectrum.ieee.org/tag/quantum-computers)，由于来自外太空的宇宙射线 (https://spectrum.ieee.org/tag/cosmic-rays) 的影响，平均每 10 秒就会发生一次灾难性错误。如今，一项新研究揭示了一种将这一错误率降低近五十万倍、使其降至每月不足一次的方法。 量子计算机 (https://spectrum.ieee.org/quantum-computing) 在理论上能够解答常规计算机永远无法解决难题。其核心组件被称为量子比特或 qubit (https://spectrum.ieee.org/neon-qubit)，它们通过一种名为纠缠 (https://spectrum.ieee.org/quantum-machine-learning) 的量子效应相互连接。 量子计算机所依赖的量子效应对其周围环境造成的干扰极为敏感 (https://spectrum.ieee.org/neutral-atom-qubit)。这种脆弱性通常导致当今最先进的量子计算机在每进行 1,000 次运算时大约会出现一次错误。然而，量子计算 (https://spectrum.ieee.org/tag/quantum-computing) 的许多实际应用要求错误率降低十亿倍甚至更多。 量子物理学家通常希望将量子信息分布到许多冗余的 qubit (https://spectrum.ieee.org/tag/qubits) 上，以弥补这些高错误率。这将帮助量子计算机检测并纠正错误，使得由研究人员迄今开发的、充满错误的许多“物理 qubit”组成的集群能够构成一个有用的“逻辑 qubit”。 Google (https://spectrum.ieee.org/tag/google)、IBM (https://spectrum.ieee.org/tag/ibm) 和其他公司旨在利用超导 (https://spectrum.ieee.org/tag/superconducting) 电路作为 qubit 来开发此类容错量子计算机 (https://spectrum.ieee.org/fault-tolerant-quantum-computing)。这是因为此类硬件有望在不久的将来扩展到数千个物理 qubit。 然而，Google 科学家及其同事在 2021 年发表的一项研究 (https://www.nature.com/articles/s41567-021-01432-8) 揭示，这些超导电路容易受到来自深空 (https://spectrum.ieee.org/tag/deep-space) 的宇宙射线 (https://spectrum.ieee.org/muon-imaging-hurricanes-cyclones) 引起的错误影响。这些粒子从各个方向以巨大的能量撞击地球，其能量远超地球上最强大的粒子加速器所能产生的能量。 传统的量子纠错 (https://spectrum.ieee.org/googles-quantum-computer-exponentially-suppress-errors) 码通常处理同时干扰单个或少数几个 qubit 的噪声。然而，宇宙射线可以同时干扰芯片上的所有 qubit。“因此，宇宙射线事件超出了传统量子纠错 (https://spectrum.ieee.org/tag/quantum-error-correction) 码的有限处理能力，”该研究的主要作者、芝加哥大学的量子物理学家 Xu Qian 表示。 宇宙射线的撞击实质上可以抹除编码在量子处理器上的所有量子信息。此外，基于超导电路的量子计算机平均每 10 秒就可能经历此类灾难性故障，这对可能需要数小时完成的长时间量子计算任务尤为不利。而且，宇宙射线还会干扰其他类型的量子计算硬件，例如半导体自旋 qubit (https://spectrum.ieee.org/silicon-spin-qubits)。 如今，Xu 及其同事开发了一种策略，将宇宙射线引起的错误率抑制到每 51 天仅发生一次。“只要有足够的保护措施，量子计算机就能抵御宇宙射线事件等非常灾难性的事件，”Xu 说。 左侧显示连接到路由器的芯片，然后是一个标记为 Ancilla chip（辅助芯片）的正方形。多个量子计算数据芯片（左）连接到一个辅助芯片（右）。如果宇宙射线事件擦除了数据芯片中的数据（左下），未受影响的数据芯片和辅助芯片可以纠正错误。Physical Review Letters 研究人员将量子计算机划分为多个数据芯片，每个芯片拥有多个超导 qubit (https://spectrum.ieee.org/tag/superconducting-qubits)。这些数据芯片连接到一个带有额外超导 qubit 的“辅助芯片 (https://spectrum.ieee.org/quantum-and-gate)”，用于监控数据芯片的性能。 所有芯片都运行传统的量子里纠错 (https://spectrum.ieee.org/tag/error-correction) 码以处理常规错误。他们还运行第二种量子纠错码，旨在防御宇宙射线。 在新研究中，量子计算机的数据分布在多个数据芯片上。如果宇宙射线击中量子计算机，这种分区限制能减轻撞击造成的损害。 在宇宙射线撞击后，辅助芯片可以与未受宇宙射线影响的数据芯片协作，修复受影响的数据芯片并恢复量子计算机的所有数据。“如果部分芯片因宇宙射线事件受损，整个计算机无需从头开始，”Xu 表示。 这种新策略还可以检测并纠正宇宙射线可能在辅助芯片中引起的任何错误，且不会损害量子计算机的数据。它甚至能承受两股宇宙射线击中量子计算机中任意 qubit 的情况。“原则上，我们可以设计更复杂的编码来容忍更多的宇宙射线事件，”Xu 说。 与以往应对宇宙射线效应的方法不同，这种新策略所需的资源很少，几乎不需要或根本不需要对硬件进行修改。Xu 表示，科学家们希望未来在 IBM 量子云或 Google 的 Sycamore (https://spectrum.ieee.org/tag/sycamore) 处理器上测试他们的方法。 该研究的资深作者、芝加哥大学的量子物理学家 Liang Jiang 表示，未来研究人员希望分析量子纠错码如何改进玻色 (https://spectrum.ieee.org/photonic-quantum-computing) 量子计算系统 (https://spectrum.ieee.org/quantum-computing-china)，以及量子传感器 (https://spectrum.ieee.org/quantum-sensors) 和量子网络 (https://spectrum.ieee.org/quantum-networks-in-space-closer-to-reality)。 科学家们在 12 月 6 日于《物理评论快报》（Physical Review Letters）期刊上详细阐述了他们的发现 (https://arxiv.org/abs/2203.16488)。