在量子竞赛中，IBM凭借纠错技术领先

近年来，量子计算机的规模、性能和速度都有了显著提高。尽管取得了这些进步，但在这些计算机能够更大规模地实现之前，仍需要克服许多技术挑战。

例如，在现有的量子算法能够高速实现之前，工程师必须开发容错和可靠的量子处理器。今年夏天，IBM的研究人员宣布了错误缓解技术，以帮助实现这一目标。

All About Circuits采访了IBM Quantum理论和能力团队的高级经理Sarah Sheldon，以了解更多关于这些进步的信息。Sheldon的团队专门开发能够使量子计算机的性能高于经典计算机的算法，以及优化量子系统性能的工具。

 

Sarah Sheldon，IBM Quantum的理论和能力高级经理。

 

概率误差抵消与零噪声外推

Sheldon和她的同事推出的新的误差抑制工具包括概率误差消除（PEC）和零噪声外推（ZNE）。这些技术旨在权衡完成任务的速度，以获得更好的准确性。

Sheldon说：“我们正在开发的错误缓解技术确实存在于硬件之上，但它们在很大程度上取决于能否从设备中学习噪音。”。“减少错误也与硬件质量密切相关，因为硬件的改进大大减少了这些技术所需的开销。”

PEC和ZNE是IBM quantum在过去几年中进行的广泛量子计算研究的成果。

Sheldon解释道：“对于PEC，我们学习电路层中的噪声，并实现平均反转噪声影响的电路实例。”。“另一方面，在ZNE中，我们按原样运行电路，然后在所有微波控制都变慢的情况下重新校准电路，以有效地增加噪声并再次运行。当我们知道噪声如何随着控制脉冲的持续时间而变化时，我们可以从这些不同电路的结果推断出零噪声极限。”

 

努力实现容错操作

术语容错指的是运行量子电路并在错误发生时进行校正的能力，以在逐个镜头的基础上获得准确的结果。对于工程师来说，要实现量子计算机的容错操作，他们首先需要设计纠错工具，使用许多物理量子位对单个逻辑量子位进行编码。

Sheldon说：“纠错架构要实现一组通用逻辑门，还需要额外的开销。”。“PEC表明，我们不必等待容错来进行有用的量子计算。PEC使我们能够减少噪声对期望值测量的影响（即提高精度）。”

期望值本质上是由其可能性加权的测量的所有可能结果的平均值。这些值与广泛的研究和现实世界问题有关，其中最明显的是量子系统模拟。

 

虽然容错是IBM的最终目标，但IBM Quantum将容错作为推动量子计算发挥作用的途径。图片（已修改）由IBM提供

 

PEC只能通过首先识别影响量子系统的噪声来减轻影响期望值的噪声，而这正是研究人员首先试图实现的。

Sheldon说：“一旦我们知道了系统中的噪声，我们就会在电路中添加额外的门，并对这些电路的许多实例进行平均，从而消除其影响，因此平均而言，这些额外的门会应用潜在噪声的倒数。”。“为了获得准确的值，我们必须平均足够的时间来重建这个逆。这意味着我们有一个采样开销来测量方差足够小的无偏估计量。”

 

降低电路噪声和“伽马射线”

PEC技术有一个采样开销因子，研究人员称之为伽马射线由于该因素取决于电路的整体噪声，系统中噪声的降低（通过改进设备或结合纠错技术）将使gammabar越来越接近1。

当gammabar大于1时，为了产生他们的无噪声期望值，研究人员需要在许多电路实例中对其进行平均。这被称为指数采样开销.

 

该图描绘了深度为400和4000的100个量子位蹄化电路的PEC电路开销的估计，包括伊辛自旋链的时间演变。红色虚线显示了假设固定的1kHz采样率的一天运行时间。图片由IBM提供

 

Sheldon说：“我们想要实现的电路越大，采样开销就越大，但好消息是，开销只是弱指数的，并且随着gammabar的降低而呈指数下降。”。“我们提高质量的途径将始终关注相干性和门保真度。我们现在已经测量到超过1ms的相干性时间，通过Falcon R10设备中的新门架构，我们已经超过99.9%的两量子位门保真度。将这些进步集成到我们最大的设备中对于实现更大的电路尺寸至关重要。”

 

通往更大电路和可操作量子计算机的道路

在提高质量的同时，提高电路运行速度也可以产生更大的电路。此外，在合理的时间内对更多的电路实例进行平均可以产生更大的电路所带来的更高的采样开销。

Sheldon说：“我们还关心我们的系统在很长一段时间内是稳定的，这样从我们学习到缓解，噪音就不会改变。”。“目前，我们发现每天校准一次设备就足够了，但我们需要更多的研究来分析任何漂移对缓解结果准确性的影响。”

Sheldon和她的同事们引入的PEC技术和其他错误缓解策略在量子系统的质量和速度方面取得了进步，这可能是迈向量子优势之旅中的一个重要里程碑。通过跟踪gammabar因子，研究人员将能够确定他们可以运行的电路的大小，从而确定他们可以用系统解决的问题的规模。
 

IBM解锁“动态电路功能”

Sheldon和她的同事现在正在开发可以减少采样开销的错误缓解技术。此外，他们现在开始解锁所谓的动态电路功能。

Sheldon说：“有了动态电路，我们可以使用测量和前馈操作，这将提供更大的算法灵活性，使我们能够在更短的深度内准备纠缠态，并研究量子纠错的组成部分。”。“归根结底，量子计算工具的未来取决于问题。仅考虑到电路的硬度，问题是纠错电路的指数开销何时会超过经典模拟的指数缩放。”

 

图表显示了经典计算机、具有纠错功能的量子计算机和具有容错功能的量子电脑的量子运行时间与量子电路复杂性的函数关系。图片由IBM提供

 

在未来的研究中，IBM Quantum的团队还将尝试识别能够很好地映射到他们电路上的问题，以确保他们的量子计算机能够比经典计算机更快、更准确地解决这些问题。Sheldon认为，这些问题将通过与行业和学术合作伙伴的合作而变得明显，最初将植根于化学、材料科学和机器学习领域。

Sheldon说：“我们的合作主要是在软件集成和应用程序开发方面的更高层次。”。“我们真正寻求合作伙伴意见的地方是了解他们希望如何使用量子计算机以及解决什么问题。为此，我们与大学、国家实验室、初创公司以及科学和工业许多领域的公司建立了合作伙伴关系。”

 

正在开发的量子计算机仍然有用

Sheldon认为，即使在量子计算机达到容错能力之前，它们也可能被证明是有用的。有了IBM开发的硬件工具和错误缓解策略，这些计算机很快就可以在许多学术和研究环境中实现。

Sheldon指出：“在IBM，我们认为错误缓解和纠错是一个连续体。错误缓解将在短期内产生直接影响，最终纠错将是容错所必需的。”。“在此期间，纠错和纠错将共同努力，继续解决更棘手的问题。”

Sheldon继续说道，“在我们最近的一项工作中，我们展示了一个例子，其中包括纠错的Clifford门和减轻的t门。我们正处于硬件开发阶段，我们有产生无噪声期望值的方法，所以现在我们必须问一个问题：我们能用这些系统做什么？”