容错量子计算的梦想离现实又近了一步

普通大众已经习惯了在电影和电视节目中看到经典的“吊灯”设计的量子计算机。

量子信息的基本单位是量子位（quantum bit），它是二进制位的量子等效，在经典计算中是通过双态器件物理实现的。像二进制计算机一样，量子位也可以有1或0的值，但也可以实现“叠加”，即它们同时是1和0——直到它们被测量，在这一点上它们采用一个设定值。叠加意味着这些粒子是不可分割的“量子纠缠”，即使它们相隔数十亿光年，存在于宇宙的两端。爱因斯坦称这种现象为“幽灵般的超距作用”，确实如此。

然而，量子位不能忍受“噪音”，因此它必须完全隔离，并保持在接近绝对零度的温度下。开尔文标度上的零等于-273.15摄氏度，任何热扰动或来自相邻原子的最轻微振动都会导致量子位完全失控，并产生抖动。当这种情况发生时，被称为“相干时间”的叠加和纠缠难以置信的脆弱特性无法维持足够长的时间，以至于量子计算机甚至无法开始运行计算程序。

鉴于政府和军方对量子计算的研究是在高度保密的情况下进行的，无论它在世界上的哪个地方进行，我们必须依靠来自学术和商业来源的信息来给出一些进展情况的迹象。据IBM称，该公司计划今年推出世界上第一台拥有超过1000个量子比特的通用量子计算机Condor，并表示有望在2025年之前建造一台拥有超过4000个量子比特的量子计算机。IBM还展示了一台50量子位的量子计算机，它可以保持90微秒的量子状态。

这是一个非常短的时间，但随着研究的继续和改进的进行，这是几年前可能实现的重大进步。量子计算的最大问题是如何减轻并最终完全消除或制造无关的“噪声”，即来自过多的热、射频和磁源的永久干扰，这些干扰会导致量子计算机中的量子位元退化或“退相干”。

在千分之一秒内，退相干会导致量子位中的信息随机化。错误会立即激增，算法会产生虚假的输出，致命的错误会使整个过程立即停止，量子计算机也会崩溃。

理想情况下，在大量量子比特上执行许多操作的量子算法应该同时运行数万亿次操作。目前，它们只能运行几百秒，然后噪声就会淹没系统，量子态崩溃，发生致命错误；因此，IBM和谷歌等公司竞相开发量子纠错（QEC）。

QEC是另一种算法，但专门设计用于识别和纠正量子计算机中的错误，对于实现“大规模”量子计算至关重要，从而可以以越来越稳定的方式部署和处理越来越多的量子位。在量子计算中，量子信息存储在单个逻辑量子比特中，然后分布在许多支持的物理量子比特上，这确保了即使在量子处理器运行时原始量子信息的完整性。

然而，运行QEC所需的开销和成本是巨大的。目前，大约需要1000个物理量子位来支持一个逻辑量子位，这使得事情变得非常困难，因为要实现容错通用量子计算，物理量子位必须改进到能够满足甚至超过最苛刻的纠错阈值，这被认为是一个非常长期的命题。

然而，帮助可能就在眼前。早在1980年，美国理论物理学家Frank Wilczek——现在是诺贝尔奖获得者和麻省理工学院（MIT）物理学教授——正在研究只能存在于二维平坦宇宙中的粒子的概念。

他假设，当在量子计算机中产生这种“准粒子”时，在接近绝对零度的温度和非常强的磁场中，奇怪的是，它们会保留自己历史的“记忆”。正是这种特性可能，而且看起来越来越有可能，在纠错、防崩溃的量子计算机的发展中发挥重要作用。

自从Wilczek的实验工作以来，许多公司和机构花费了大量的时间和金钱来研究……等等....“非阿贝尔任意子”。

今年5月3日，也就是不到两周前，量子公司（quantum）的科学家推出了H2 32量子位的第二代量子计算机。两年前，Honeywell收购了英国量子公司剑桥量子（Cambridge quantum），将量子公司从霍尼韦尔剥离出来。量子声称H2在过去的七年里一直在秘密开发，是迄今为止建造的最精确的量子计算机。正在开发自己的量子计算机的微软和图形芯片巨头英伟达正在与quantum合作。

除了美国作家Jeff Brown儿童读物中的主角Flat Stanley之外，我们其他人都生活在一个只有两种粒子的三维世界里：费米子（fermions）和电子（electron），前者传输电力、相互排斥，后者传输电力、相互吸引。然而，在二维系统中，存在另一种准粒子。为了证明一些物理学家确实有幽默感，Frank Wilczek将这些二维粒子称为“任意子”，因为他认为它们或多或少可以是任何东西。

任意子被分为“阿贝尔”和“非阿贝尔”。阿贝尔任意子的行为很像费米子，但非阿贝尔任意子有一些特殊的、特别奇怪的性质，人们相信，这些性质在拓扑量子记忆中可能非常重要，因为它们有一种“记忆”，可以记录它们过去相对于彼此的位置。正是这种“记忆”可能使量子计算机在不需要纠错的情况下运行。

本质上，相同的非阿贝尔任意子共享一个内存，通过让两个非阿贝尔任意子交换它们的位置，它们的状态就互换了。这个过程被称为“编织”，当任何一个粒子被编织在一起时，它们会发射出一种准粒子，这是它们在时空中相互交叉的证据：编织事件的历史记录被保存了下来。研究人员表示，这种现象最终将允许构建容错量子计算机，这将改变世界。

当然，如果你有足够的兴趣继续读这篇文章，你会发现这一切都要复杂得多，令人费解得多。

看起来量子的H2处理器是一个重大突破，因为它允许控制非阿贝尔任意子的创建和操作。正如quantum公司总裁兼首席运营官Tony Uttley所说：“随着我们的第二代系统，我们正在进入量子计算的新阶段。H2强调了实现只有量子计算机才有可能实现的有价值结果的机会。H2处理器的开发也是迈向通用容错量子计算的关键一步。”