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投票进展：DAO Reviewer 1/0 通 过
赏金总量：35 USD
研究种类：Quantum Computing, Error Suppression, Error Mitigation, Error Correction
原文作者: Matthias Steffen
创作者：Wonder@DAOrayaki.org
审核者：Hahaho@DAOrayaki.org
原文: What’s the difference between error suppression, error mitigation, and error correction?
量子计算机有成为变革者的潜力，但前提是我们能够解决在宇宙物理极限下嘈杂且高度敏感的运行系统所固有的错误。解决错误并不是一项简单的任务，我们需要在系统设计的每一步，预测并修复这些错误。
在计算机（运行）中出现错误是一件很自然的事情：量子态应该按照执行的量子线路的规定进行演变。然而，由于外界环境或硬件本身会带来各种不可避免的干扰，实际的量子态和量子比特可能会有不同的演变，造成计算中的错误，我们将这些干扰称之为“噪声”。但量子比特错误比传统比特错误更复杂。量子位零或一的值不仅可以改变，而且量子位还带有一个相位，类似于它们指向的方向。我们需要找到一种方法，能够在系统的每个层面上处理这两种错误，也就是通过改善我们对计算硬件本身的控制，并且在硬件中建立冗余。这样一来，即使一个或几个量子比特出现错误，我们仍然可以为我们的计算检索出一个准确的值。
处理错误有几种不同的方法，但这些术语让人感到困惑，即使在该领域内，对这些术语的确切含义也存在分歧。我们可以把错误处理分成三个核心部分——错误抑制、错误缓解和错误纠正，每个部分都有自己的研究和开发考量因素。请注意，它们之间的区别是微妙的，并没有完全地进行定义，尤其是错误抑制和错误缓解之间的区别。
错误抑制
错误抑制是错误处理的最基本层面。错误抑制指的是这样一种技术：应用不良效应的相关知识来引入定制化服务，从而可以预测和避免这些效应的潜在影响。大多数情况下，当我们谈论错误抑制时，我们谈论的是在硬件上最接近（理想）层面来处理错误。这些技术往往是在用户无感知的情况下进行的，通常包括改变或增加控制信号，以确保处理器返回期望的结果。
错误抑制技术可以追溯到几十年前，并在一些最早的可控量子系统中得到发展，如核磁共振（NMR）装置，它是磁共振成像（MRI）的核心。量子计算机已经采用了其中的一些技术，例如自旋回声。它是一个脉冲序列，可以帮助重新聚焦一个量子比特，使其保持更长时间的量子态。自旋回声也是一类被成为“动态解耦技术”中的一种，动态解耦向闲置的量子比特发送脉冲，将它们的值重置为原始状态，本质上是为了消除用于计算的邻近量子比特的任何潜在影响。
绝热门导数移除（DRAG）为标准脉冲形状增加了一个组件，减少进入高于 0 和 1 状态且用于计算的量子比特数量。还有许多我们正在研究并且在硬件中行得通的技术，这些技术经过了几十年的发展。Qiskit Pulse[1] 允许用户生成自定义脉冲，自行探索错误抑制，我们建议你可以尝试一下[2]。
错误缓解
同时，错误缓解是利用电路群的输出来减少或消除噪声对预期值的影响。我们认为错误缓解是在近期实现有用量子计算机的关键。
我们的团队正在探索和开发一个不同的错误缓解技术组合。例如，概率错误消除是将某个电路集合中的样本平均起来，模拟出一个噪音倒置通道来消除噪音。这个过程有点像降噪耳机的工作方式，但它采用均匀的工作方式，而不是逐次取消噪声。零噪音外推法（ZNE）通过外推在不同噪音强度下的电路测量结果，减少影响嘈杂量子电路结果的噪音，从而确定实际的值。其他方法，如 M3 和旋转读出错误外推法（TREX），专门致力于减少量子测量的噪声。
值得注意的是，这些方法都需要一定的经费，以及不同的准确度。例如，最强大的技术伴随着高额的经费，它们运行的时间会随着问题的大小呈指数级增长，问题的大小由量子比特数和电路深度决定。通过实现各种方法的组合，用户能够根据他们的精度要求和他们的预算多少来选择哪种技术对他们的问题最合适。
错误缓解令人兴奋，因为这类技术中最强大的技术可以让我们计算出无噪音（公正）的期望值，可用于编码各种属性或问题。例如，它们可以编码自旋系统的磁化或相关函数，分子构型的能量，或成本函数。但是，这不代表它们可以找到一个特定量子态的概率，如 |00110⟩。我们鼓励研究界和 IBM 量子网络的成员开发以运算估计为核心的新算法和新应用。
尽管需要经费，我们认为在具有等效电路深度的几百个量子比特范围内，错误缓解仍然有实际的效果。而超过该范围之外的，我们设想了一种结合了量子错误纠正和错误缓解的技术。
错误纠正
纠正是我们希望实现我们的最终目标，即可容错的量子计算；我们建立了冗余（机制），这样即使有几个量子比特出现错误，系统仍然会返回准确的答案，无论我们尝试在处理器上运行。错误纠正是传统计算中的一项标准技术，用冗余编码信息，这样就可以检查是否发生了错误。
错误纠正也是同样的远离，但需要注意的是，我们必须考虑到上述的新型错误。此外，我们必须仔细测量系统，以避免状态出现崩溃。在量子错误纠正中，我们将单个量子比特的值（也称为逻辑量子比特）在多个物理量子比特之间进行编码，为门提供工具，将物理量子比特的结构视为基本上没有错误的逻辑量子比特。我们执行被称为“错误纠正代码”的一组特定操作和测量，用于检测和纠正错误。根据阈值定理，我们知道存在硬件相关最小错误率，在执行错误纠正之前，我们的硬件必须达到最小错误率。
纠错不仅仅是一个工程挑战，也是一个物理学和数学问题。目前的前沿代码“表面码”要求为每个单一的逻辑量子比特准备大量的物理量子比特O(d2)，其中 d 是代码的一个特征，即与可纠正的错误数量有关的距离。为了使 QEC 编码能够纠正足够多的错误以实现容错，必须选择足够高的距离，使编码的纠错能力符合量子设备的错误率。由于目前的量子设备是相当嘈杂的，错误率接近 1e-3，这意味着目前采用表面码的量子纠错所需的量子比特数量是不现实的，因为每个逻辑量子比特需要的物理量子比特太多。为了向前发展，我们既要降低设备的物理错误率，比如降低到 1e-4，还要寻找对物理量子比特需求更小的新编码。
世界各地的理论家仍在设计不同的纠错策略和量子比特的布局，以确定哪种策略在未来是最有希望，而且他们已经取得了一些重大突破。就在去年，理论家们发现了一种击败二次方负荷 O(d2) 的方法，一种鲁棒性呈线性扩展的代码。鲁棒性翻倍意味着量子比特的数量翻倍，这可能会导致错误纠正的开销大大减少，但前提是对现在的量子硬件进行一些重新设计。IBM 量子公司最近举办了夏令营[3]，以促进在该领域的进一步研究。同时，硬件工程师正在与这些理论家一起工作，以确保他们能跟上理论家的最佳想法。
错误抑制、错误缓解和错误纠正听起来很相似，但每一种方法都涉及特定的专业知识和考量因素，并且它们都对确保量子计算机能带来真正的价值至关重要。虽然我们清楚我们想要量子计算机解决什么样的问题，但实际解决这些问题需要以实用和可扩展的方式处理错误和噪音，而目前还不清楚如何才能达到这个目的。在错误抑制、错误缓解和错误纠正任一领域的任何进步都会使实用的量子计算更接近现实。这些领域齐头并进，为降低量子计算的开销提供了一条可持续的道路。IBM 量子公司正在推动所有这些领域的发展，旨在实现以量子为中心的超级计算时代。
参考文献：
[1]https://qiskit.org/documentation/apidoc/pulse.html
[2]https://qiskit.org/textbook/ch-quantum-hardware/calibrating-qubits-pulse.html
[3]https://www.ibm.com/quantum/summer-school
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