10月22日，知名量子纠错公司Riverlane发布了《2024年量子纠错研究报告》。这份报告以通俗易懂的方式分解了QEC的复杂性，对量子纠错技术（QEC）的最新发展情况、优势与挑战进行了系统性分析，同时指出了QEC进一步发展的需求，包括未来指标与硬件设备。以下是对报告核心部分的编译。
研究背景
在过去的二十年中，量子计算机不断向规模化发展迈进，这主要得益于量子比特（qubits）数量的增多与质量的提高。如今，我们正步入一个新纪元，量子计算机将在接下来的几年内解锁那些在当今最强大的超级计算机上也无法解决的应用问题。这一转变的核心环节是量子纠错（QEC）。这份量子纠错报告概述了QEC发展的当前状态，提供了对量子计算当前面临的主要挑战的深刻见解。
图：《2024年量子纠错研究报告》
来源：Riverlane
量子纠错技术已经成为全球政府、投资者和量子计算公司关注的焦点。报告强调，为了使量子计算机规模化，QEC技术也必须同步发展。当前，我们需要的是新一代的QEC技术，以降低每个量子比特的成本，提高能效，在推进规模化进程的同时提高保真度。这些技术必须包括更高效的QEC编码，并且能够在快速（小于1微秒）和确定性的速度下执行错误纠正循环，同时处理大规模的数据量（扩展到100TB/s）。
当前，量子硬件公司正在积极拥抱QEC技术，大约有三分之二（66%）的公司目前正在积极研发和使用QEC技术或将其作为一个独立的板块来运营，比如设立一个专门的内部部门或研究小组来专注研发QEC技术。随着量子计算机的发展，我们也将进入一个新的基准测试时代。传统的基准测试正在变得过时，而QuOps（可靠的量子操作）是衡量量子计算性能的一个关键指标。但是，未来的机器需要新的指标和针对特定应用的基准测试。
在未来两到三年内，我们将达到MegaQuOp（百万QuOps）的拐点，届时量子计算机将超越超级计算机所能达到的极限。我们正处于一个关键时刻，30年前开始的纠错理论现在开始在实验上得到验证。现在是采取行动的时候了。
进入量子纠错时代
量子纠错（QEC）领域的科学研究在过去几年里取得了显著的进展，这些突破性成果对公司技术路线图的实现以及政府的资金支持偏向也产生了一定的影响。报告详细概述了QEC领域的最新进展，涵盖了科研趋势、市场动态和经典计算方面的内容。
科研进展
在科学研究方面，我们见证了QEC从理论到实验的一系列重要里程碑。例如，Quantinuum首次在裸露的量子比特上使用综合征提取进行了单次量子纠错硬件演示，而荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）展示了在7量子比特错误检测表面码上的逻辑操作。此外，哈佛大学领导的团队与QuEra和麻省理工学院合作，显著提高了可重构原子阵列的性能，实现了涉及高达280量子比特的多个QEC实验，这是迄今为止最大规模的演示。
资金支持与技术成熟度
在资金方面，许多国家的政府部门在过去十年中对量子技术进行了大量投资，并且近期它们的投资力度正在逐渐增加，量子计算和QEC领域的私人投资也越来越多。例如，美国国防部和能源部等主要政府资助机构在2024年对量子技术进行了重大投资，这些投资不仅凸显了量子技术作为战略优先事项的地位，也吸引了高质量的人才和研究。
图：报告显示，目前已有9家量子硬件公司公开了扩展量子计算的技术路线图
来源：Riverlane
在QEC的成熟度方面，报告指出，没有先进QEC技术的公司通常专注于硬件堆栈的量子比特层，积极提高量子比特的质量或扩展系统。超过一半的公司正在积极研发QEC，将QEC的重点分布在其运营的各个方面。
NISQ时代的注记
NISQ设备指的是那些具有数十到数百个量子比特的量子计算机，但这些设备受到噪声和错误的困扰，限制了它们的计算能力。
当前，NISQ设备在量子体积和电路深度方面取得了一定的进展，但它们在执行复杂的量子算法时仍然面临重大挑战。由于量子比特之间的相互作用和环境干扰，这些设备的错误率相对较高，这使得它们难以实现精确的量子计算。此外，NISQ设备的相干时间较短，即量子状态保持稳定的时间有限，这也限制了它们执行长时间量子操作的能力。
报告指出，尽管NISQ设备在量子算法的演示和量子概念的验证中发挥了重要作用，但它们并不适合执行需要大量量子比特和高保真操作的应用。
随着量子纠错技术的发展，NISQ设备可能会逐渐过渡到具有更强大纠错能力的量子计算机。然而，这一过渡需要解决许多技术和工程挑战，包括提高量子比特的质量、开发高效的量子纠错码和构建高性能的经典-量子接口。
三种不同策略
图：三种策略
来源：Riverlane
目前，主要有三种解决量子错误问题的策略：量子错误压制（QES）、量子错误缓解（QEM）和量子错误纠正（QEC）。这三种策略各有特点，适用于不同的量子计算阶段和目标。
量子错误压制（QES）着眼于改善量子比特的固有性质来减少错误发生的概率。这通常通过提升量子比特的质量和性能来实现，例如通过提高量子比特的相干时间或改善量子门的操作精度。QES是一种预防性策略，旨在从源头上减少错误的产生，但它并不能完全消除错误。
量子错误缓解（QEM）是一种在错误发生后采取措施以减轻其影响的方法。这需要在量子计算过程中收集额外的数据，并在计算完成后使用经典算法对这些数据进行后处理，以推断出最可能的正确结果。这种方法在当前的量子硬件上是可行的，但由于其需要大量的重复实验和经典后处理，因此在大规模量子计算机上可能不太实用。
相较之下，量子错误纠正（QEC）是一种更为全面的错误处理策略，它通过使用多个物理量子比特来编码单个逻辑量子比特，从而在量子信息处理过程中主动检测和纠正错误。QEC需要复杂的量子纠错码和高效的经典解码器来实现，但它能够提供长期的、可扩展的错误保护。随着量子计算机的发展，QEC将成为实现大规模量子计算的关键技术。
三种QEC编码
表面码是当前最成熟的QEC编码之一，它在二维阵列中使用量子比特的奇偶校验来检测和纠正错误。表面码的优点包括高阈值值，即在物理量子比特错误率较高时仍然有效，以及与二维阵列的兼容性，这使得它们特别适合现有的超导量子比特技术。此外，表面码的解码可以映射到图形问题，这允许快速实时的解码。
颜色码与表面码类似，但使用不同颜色的plaquettes来编码信息，提供了一种不同的错误检测和纠正机制。颜色码的解码过程比表面码更复杂，通常需要更多的量子比特，并且对硬件的连接性要求更高。
量子LDPC码是一种新兴的编码方案，它结合了量子编码和低密度奇偶校验码的优点。量子LDPC码的潜在优势在于，它们可能使用更少的物理量子比特来保护相同的信息量，从而提高编码效率。然而，这些编码方案尚未在实际系统中得到充分测试，且对硬件的连接性要求非常高，这限制了它们在某些量子比特技术中的应用。
报告强调，选择合适的QEC编码对于量子计算机的可扩展性和实用性至关重要。不同的编码方案适用于不同的量子比特技术和应用场景。随着量子计算技术的不断进步，对QEC编码的研究和开发将成为量子纠错领域的热门研究方向。
量子纠错中的经典计算部分
图：量子纠错中的经典计算部分
来源：Riverlane
解码是量子纠错中的经典计算部分，它涉及到处理从量子处理器获取的大量测量数据。这些数据用于检测和定位量子信息中的错误。量子解码器必须能够实时处理这些数据，以确保在错误累积到无法纠正之前进行纠正。这一过程需要高度专业化的经典算法，以及能够快速、准确地执行这些算法的硬件支持。
报告还强调了实时解码的重要性，这对于高速运行的量子计算机（如超导量子计算机）尤为重要。量子计算机在执行逻辑门操作时会产生连续的数据流，这些数据必须得到及时处理，以避免错误累积。因此，高效的量子纠错需要一个优化的硬件解码器，它能够与量子计算机的控制系统紧密集成，以实现快速和准确的错误纠正。
当前挑战
首先，报告指出量子纠错的硬件实现是当前面临的主要挑战之一。随着量子计算机的规模化，需要开发专用的解码半导体芯片，这些芯片能够以极高的速度实现大容量、低成本和高能效运行。但这是一个复杂的任务，超出了传统芯片制造商的能力范围。量子芯片需要全新的编码，这些编码能够在实时速度下运行。大型量子计算机将需要成百上千个这样的芯片来处理大量数据，以运行大型应用。
其次，我们需要量子计算机性能评估的新指标。随着量子计算机运行规模和复杂性的增加，将需要更多的参数来对这些机器进行比较。报告中提到了多个正在使用的指标，如QuOps（量子操作数）、CLOPS（每秒电路层操作数）、Lambda参数、QEC效率、总量子体积、延迟、相干时间和量子门速度等。这些指标有助于评估量子处理器（QPU）的性能。报告特别强调了QuOp的重要性，一个QuOp代表了一个逻辑量子比特完成一个有用的逻辑操作。这个指标有助于比较不同量子计算机的性能，因为它综合考虑了计算速度和逻辑保真度之间的平衡，这对于构建实用级容错量子计算机至关重要。
未来，我们会从MegaQuOp（百万量子操作）迈向TeraQuOp（万亿量子操作），彼时能够解锁的应用范围和应用复杂度将超出预想。报告预测，一旦达到TeraQuOp规模，量子计算机将有可能破解RSA加密或模拟FeMoCo分子。这些应用不仅能够推动科学的发展，还能为解决现实世界的问题提供新的解决方案。
综上所述，报告强调了QEC在量子计算发展中的核心地位，并指出了未来几年内可能实现的技术突破和应用前景。随着量子硬件的进步和新指标的开发，量子计算机将越来越接近解决现实世界问题的能力。量子纠错是量子计算领域的一项重大技术挑战，也是实现量子优势的关键。随着全球持续性的共同努力，我们有望在未来几年内为量子计算打开新的大门。
参考链接
https://www.riverlane.com/quantum-error-correction-report-2024#reportsignup
