从物流到金融，量子计算机正在各个领域不断发力。但正如人们所知，这项技术仍处于研究试验阶段，且受制于硬件，今天的机器往往会遭遇一系列频次较高的硬件故障。
相比之下，经典计算机可能在运行了10亿年后，才会出现一次故障。很明显，量子计算机前路漫漫，依旧有许多困难需要我们克服。
1.量子纠错（QEC）技术
一些量子计算机制造商巨头，例如IBM和谷歌的量子计算发展路线图中皆部署了“量子纠错（Quantum error correction, QEC）”技术，希望通过此项技术来实现所谓的容错量子计算，因为这些公司将来需要将其量子计算机的量子比特数量扩展到数千，甚至数万个。
QEC是一种用于识别并修正量子计算机错误的算法，它能够借鉴经过验证的数学方法，来设计特殊的“抗辐射”经典微处理器，并将其部署在太空或其他更容易发生错误的极端环境中。
世界各地的实验室中，都可以看到关于QEC的演示，进一步证明了QEC是一项可行的技术方法。
图1｜量子纠错技术（来源：ACM）
Q-CTRL是澳大利亚一家大型量子计算机软件提供商，Michael J. Biercuk作为其首席执行官，同时也是悉尼大学量子物理和量子技术教授，他认为，今年，量子纠错可能会为量子计算硬件带来净收益。
不幸的是，蓬勃发展之下，容易出现误导，错使人们相信QEC技术就是未来量子计算弊端的灵丹妙药。
当QEC与容错量子计算理论相结合时，从原则层面来看，工程师们可以建造一台任意大小的量子计算机。且如果操作得当，该计算机可以进行任意时长的计算。
从这点来看，这项技术是惊人的，因为其前景支撑着整个量子计算机科学领域：也就是用运行QEC技术的逻辑量子比特，取代所有的量子计算硬件，这样一来，实现这世界上最复杂的算法也不算难事。
例如，Shor（秀尔）的算法只需部署几千个纠错的逻辑量子比特，就可以让比特币变得不安全。
图2｜量子计算威胁比特币安全（来源：Medium）
而当人们开始审视QEC的具体实施细则时，挑战就来了。执行QEC算法本身，就是一件十分消耗资源的事情，因为这个过程需要更多的量子比特和操作。
回到工业界对于1000个量子比特机器的承诺，这个十分消耗资源的过程可能要求1000个量子比特中包含5个有用的逻辑量子比特。且执行QEC所必须做的额外工作量，所引入的错误比修正更多。
2.QEC的前世今生
围绕QEC展开的研究可以追溯到20世纪90年代末，当时引入了一些数学技巧，放宽了相关的开销，使逻辑量子比特更轻松地进行计算，同时不会影响到正在进行的计算。
当时在蓬勃发展的同时，也带来了巨大的收益，使达到盈亏平衡点。实际上，执行QEC比不执行QEC要好，至少比原来的预测接近1000倍。尽管如此，实验表明大多数情况下，什么都不做要比执行QEC至少强10倍。
这就是为什么美国情报机构运行的一个重要公共部门，在过去四年中的主要研究项目，是仅用一个逻辑量子比特，寻求最终跨越实验性硬件的盈亏平衡点。
Q-CTRL的首席执行官Michael J. Biercuk补充说，明确达成这一目标的时间可能就在2021年，但这仅仅是技术发展的开端，并非结尾，余下还有很多工作要做。
图3｜Michael J. Biercuk（来源：悉尼大学）
3.药物鸡尾酒的基酒
跨越盈亏平衡点，实现有用的、能正常工作的QEC，并不代表之后的硬件都不会发生错误，只能说明错误会更少。
只有在投入无限资源的时候，QEC才能保障零错误，而这显然是一个站不住脚的命题，资源不可能是无限的。
此外，即使完全抛弃这些理论限制，QEC也是不完美的。它依赖于许多假设，这些假设是关于其负责纠错的属性的。与这些数学模型相比产生的微小偏差，会进一步降低QEC的效能。
与其将QEC视为能够治愈量子计算机中一切问题的单一药物，不如将其视为此药物鸡尾酒的重要组成部分，它需要其他调节因素。
尽管从数学层面来看，QEC对于量子计算来说很特别，但实际上它只是一种反馈稳定化的形式。
其中，反馈技术用于在驾驶时用巡航控制来调节你的速度，或用于防止步行机器人翻倒。这一认识将有可能解决量子计算中的误差问题，并最终得到一台误差较少的量子计算机。
幸运的是，有迹象表明，这一认识在逐步完善过程当中。例如，人们已经提出了一种类似于QEC的方法，这种方法有助于处理某一特定系统中最致命的错误，但换作其他系统可能无法达到相同效果。
4.量子控制
量子控制可分为开环（open loop）和闭环（close loop）控制，硬件级别的开环量子控制，与基于反馈的QEC相结合，也许会特别有效用。
量子控制允许一种形式的“误差虚拟化”，即在实施QEC编码之前，对硬件的总体错误属性进行转换。
包括降低整体错误率，设备之间的一致性错误，更好的硬件稳定性用以对抗缓慢的变化，以及错误统计与QEC的假设有更大的兼容性。所有这些积极效用都有助于较少执行QEC所需的资源。
对量子计算误差问题的整体看法，从硬件层面的量子控制，到算法QEC编码，都可以在固定硬件资源的情况下，提高量子计算性能。
5.后记
以上观点不能说明量子计算不看重QEC，且探索研究QEC始终处于核心位置。不过，对实际成果的追求，甚至会使我们放弃容错量子计算的抽象概念，取而代之的更像是容纳足够多错误的量子计算。
参考链接：
[1]https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/hardware/quantum-computer-error-correction-is-getting-practical
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