从本科作业到Nature子刊：悉尼大学大二学生突破困扰量子计算近20年的纠错码难题

别人家孩子的本科生涯：悉尼大学的一位本科生在大二写物理作业时「一不小心」解决了一个量子计算难题，相关论文刚刚登上了《自然 - 通讯》杂志。

在量子计算领域，利用量子计算机执行大规模计算可能需要基于量子纠错码的容错架构，其中面临的挑战在于设计一种使用适度资源即可有效对抗实际噪声的实用量子纠错码。

两年前，在一次物理作业中，悉尼大学的一名大二本科生 Pablo Bonilla「一不小心」取得了该领域的重要突破。他所在的研究团队对一些常用的量子纠错码进行了简单但优雅的更改，将它们的纠错能力提升了一倍，从而缩短了实现可扩展量子计算的进程。在此之前，这种常用的纠错码已经被研究了近 20 年。

随后，他们在 arXiv 上公布了一篇名为《The XZZX surface code》的论文，详细介绍了所提出的「XZZX」计算码。

近日，这项研究又登上了《自然 - 通讯》杂志，更引起了 AWS 帕萨迪纳量子计算中心以及耶鲁大学和杜克大学量子研究项目组的注意。这些机构还打算使用他的计算码。

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22274-1

AWS 高级量子研究科学家 Earl Campbell 表示，「在量子计算领域取得任何真正、实际的效益之前，我们有大量的工作要做。但是，Bonilla 等人的这项研究令我惊讶，我没想到量子纠错码的微小变化会对预测性能产生这么大的影响。」AWS量子计算中心团队还期待与 Bonilla 等人进一步合作，探索其他有前景的替代方案，进而使得新的、更强大的计算技术更加接近现实。

此外，悉尼大学理论物理学教授 Stephen Bartlett 进一步追问了该研究，「这些就是量子计算机容错的最高阈值吗？是否仍然有超越哈希的空间呢？」

量子纠错

经典计算机利用晶体管（可以理解为「开关」）运行我们的手机、笔记本等各种设备，出错的概率非常小。但是，量子计算机中的「开关」（即量子比特）对外部环境的干扰（噪声）却非常敏感。

为了让量子计算机平稳运行，研究者需要制造出大量高质量的量子比特。具体实现方法包括：改进机器，减少噪声，或利用机器的某种能力将量子比特错误抑制在某一阈值以下。

这就是量子纠错（quantum error correction）的作用所在。

量子错误的发生分为几种情况：其中一种叫做 X-error，发生在量子比特围绕自己的轴翻转的时候；还有一种叫做 Z-error，属于相位翻转错误；二者结合便产生了 Y-error。

杜克大学量子纠错专家 Kenneth Brown 介绍说，「在量子纠错中，我们通常假设 X-、Y-、Z-error 是等可能的。然而，真实的实验结果却并非如此。」

Bonilla 所做的工作就是在每一秒都重新调整纠错码的一部分。这种码被称为 surface code，可以在已经连通的量子比特的二维网络中工作。

量子棋盘

为了便于理解，我们可以把 surface code 想象成一个 国际象棋棋盘。在其最初的设计中，黑色方块用于检测 Z-error，白色方块用于检测 X-error。但是，相比之下，Z-error 要更加普遍。因此，用那么多的方块去检测不那么常见的 X-error 显得非常浪费。

Bonilla 设计的计算码打破了这种设计，将一半的量子开关进行了翻转，使每一个方块都能用于检测两种错误。这种计算码被称为「XZZX」码，显示了对 surface code 的重新设计。

Brown 教授表示，「XZZX 码非常了不起，因为它通过简单的局部变换就能为所有 X、Z 错误不均的情况提供最佳解决方案。」

耶鲁大学量子研究项目助理教授 Shruti Puri 表示，她的团队对在工作中使用新计算码很感兴趣。

「这种计算码的优雅让人眼前一亮。它的卓越纠错特性来自于对原码的简单修改，而后者我们已经研究了近 20 年。」Puri 说道，「这与耶鲁和其他机构正在开发的新一代量子技术极为相关。我相信，有了这套计算码，我们可以大大缩短实现可扩展量子计算的时间线。」

该研究的合著者、物理学院的 David Tuckett 博士表示，「这有点像和量子对手玩海战棋。从理论上来说，他们可以把船放在棋盘的任何地方。但在玩了数百万场后，我们已经掌握了他们的一些布局规律。」「从实验中我们知道，Z-error 要比 X-error 常见得多。根据这一特性，Pablo 重新设计了 surface code，大大提高了其抑制错误的能力。」

实用价值

该研究的合著者、悉尼大学理学院研究副院长 Stephen Bartlett 表示，「这一设计的伟大之处在于，我们可以有效地对其进行改进，以适应整个行业正在开发的 surface code」。

「对于一个长期从事 2D 芯片设计的行业来说，让新计算码在一个二维表面上工作有着非常理想的应用价值。」

文章的另一位合著者、悉尼大学纳米研究所和物理学院博士 Ben Brown 表示，「建造一台实用的量子计算机有点像莱特兄弟要造飞机，我们现在甚至还没离开过地面。」

「实验人员正在生产用来造飞机的坚固、轻便材料，而我们刚刚为机翼贡献了一个更符合空气动力学的设计，它有更大的升力。我们的设计可能会帮助大规模量子计算起飞。」

参考链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/uos-ssh041221.php

https://phys.org/news/2021-04-student-physics-homework-amazon-quantum.html