近年备受关注的量子计算机为何迟迟没有面市？

2020-08-18 09:17

DeepTalk深言堂

8月12日，在深兰科学院的“爱因斯坦”会议室举行了一场以量子计算为主题的讲座，就近年备受关注的量子计算机为何迟迟没有面市，进行了阐释，并指出其中最主要的瓶颈在于难以纠正计算误差。但鉴于讲座的内容较为专业，讲师又对当天内容进行了梳理，以尽量通俗的语句进行了再次解读。

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量子计算再解读

尽管学术和工业界在共同努力，但实用量子计算仍然是难以实现的目标，一个重要的原因是难以对量子比特（qubit）执行纠错。针对经典比特的公认纠错协议是存在的，而且效果也得到认同。由于诸如无克隆定理和基态的量子叠加之类的量子效应，对量子系统进行类似的操作通常要复杂得多。

在量子计算中，与传统计算一样，信息是以比特编码的。量子计算比特简称量子比特。量子比特存在于两种量子态之一中，通常表示为零和一，这与经典位的情况相同。但是，与经典情况截然不同的是，量子比特可以形成线性叠加以产生叠加量子态。实际上，任何任意的（二能级系统）量子态都由具有固定系数的零和一态的一个的叠加组成。量子态的这种独特特性是量子计算的基础。

为何量子计算机遭遇“难产”|深兰科技

薛定谔的猫：量子叠加照成的其中一个奇特现象

为了从量子状态中获得有用的信息，必须进行测量。此过程会使叠加态产生波函数坍缩，以产生位值的度量，该值是结果为零或一的概率的平方。为了计算的目的，这种情况不理想。

在实际的量子计算中，通常通过辅助量子比特来进行测量，其功能是读出量子比特的值而同时不破坏它们之间的固有叠加关系。使用辅助比特来读出量子比特值的必要性不可避免地增加了任何量子计算系统的复杂性，并同时增加了实现实用量子计算机的难度。

经典比特和量子比特的比较

在量子计算中，错误通常发生在单个比特的层面上。现有的量子比特纠正方式也多在于纠正单个量子比特的错误。两种常见的量子比特错误是比特翻转和相位翻转错误。当量子比特的态与该处于的态不同（“翻转”）时，即发生位翻转错误。比如说，当测量某个实际应处于一态的比特时，测量会反馈量子比特处于零态的结果，反之亦然。这种错误也发生在经典比特中。

相位翻转误差是一种误差类型，它是量子计算特有的，并可以将其起源追溯到叠加原理。基本量子态之间的线性叠加意味着基本态之间相对符号的固定；当两个基底态之间的所测量到的符号与正确的符号不同时，即发生了相位翻转误差（基底态之间的相对符号与量子态之间的相位因子中的指数符号之间的差相对应）。

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