多样化可能是减少量子计算错误的关键

佐治亚理工学院的博士生Swamit Tannu和Moinuddin Qureshi教授开发了一种新技术来减少量子计算中的错误。该技术被称为多样映射集合，它依赖于使用不同的量子比特来创建错误的多样化。图片来源：佐治亚理工学院

计算机科学家发现，在量子计算中，就像在团队建设中一样，稍微的多样化可以帮助更好地完成工作。

与传统计算机不同，基于量子的计算机中的处理过程是有噪声的，因此产生的错误率大大高于基于硅的计算机。因此，量子运算要重复数千次，以使正确的答案在统计上从所有错误的答案中脱颖而出。

但是，在相同的量子比特集上一次又一次地运行相同的操作可能会生成相同的错误答案，从统计学上看，这些错误答案似乎是正确的答案。佐治亚理工学院的研究人员认为，解决方案是对具有不同错误特征的不同量子比特集重复操作，因此不会产生相同的相关错误。

“这里的想法是产生各种各样的错误，这样你就不会一次又一次地看到相同的错误。”“不同的量子比特往往具有不同的错误签名。当将来自不同集合的结果组合在一起时，即使它们各自没有得到正确的答案，也会出现正确的答案。” 佐治亚理工学院电气与计算机工程学院的教授Moinuddin Qureshi说。他和他的博士生Swamit Tannu一起研究出了这项技术。

Tannu将这项名为“多样映射集合”(Ensemble of Mappings, EDM)的技术比作游戏节目“谁想成为百万富翁”。不确定多选题答案的参赛者可以向演播室观众求助。

Qureshi说：“观众中的大多数人不一定知道正确的答案。” “即使只有20％的人知道，你也可以识别出来。如果四个选项中不知道答案的人的答案相同，那么正确的答案将得到40%，你可以选择它，即使只有相对较少的人答对了。”

在已有的有噪声的中间尺度量子(Noisy Intermediate Scale Quantum, NISQ)计算机上进行的实验表明，与最先进的映射算法相比，EDM将推理质量提高了2.3倍。通过组合多样化集合的输出概率分布，EDM通过抑制不正确的答案来放大正确的答案。

Tannu承认，EDM技术是违反直觉的。量子比特可以根据它们在特定类型问题上的错误率进行排序，最合乎逻辑的操作方法可能是使用最准确的集合。但是，即使是最佳的量子比特也会产生错误，并且当该操作进行了数千次时，这些错误很可能都是相同的。

选择具有不同错误率的量子比特——因此选择不同类型的错误——可通过确保一个正确答案超出错误的多样化而防止这种情况发生。

计算机科学家发现，在量子计算中，就像在团队建设中一样，稍微的多样化可以帮助更好地完成工作。一种称为“多样映射集合”的新技术依赖于使用不同的量子比特来创建错误的多样化以减少错误。图片来源：佐治亚理工学院

Tannu解释说：“这项研究的目的是创建几个不同版本的程序，每个版本都可能出错，但它们不会犯相同的错误。”“只要他们犯了各种各样的错误，当你将事情平均化时，这些错误就会被抵消，正确的答案就会出现。”

Qureshi将EDM技术与人力资源顾问提倡的团队建设技术进行了比较。

他说：“如果组建一支由相同背景的专家组成的团队，那么所有人可能都有相同的盲点。”“如果要使团队能够抵抗盲点，那就召集一群拥有不同盲点的人。总体而言，整个团队将被保护起来，避免出现特定的盲点。”

传统的基于硅的计算机中的错误率几乎可以忽略不计，大约为千万亿次操作中出现一次，但是如今的NISQ量子计算机产生在仅100次操作中就会产生一次错误。

Qureshi说：“这些设备实际上是早期设备，存在很多错误。” “随着时间的推移，这种情况可能会有所改善，但是由于我们依赖的物质能量极低，缺乏稳定性，因此我们永远无法获得我们所期望的硅的可靠性。”量子态本质上是单个粒子，而在硅的情况下，你将许多分子堆积在一起，并对其活动进行平均。

他说：“如果硬件天生不可靠，我们就必须编写软件以充分利用它。”“我们必须考虑硬件特性，以使这些独特的设备发挥作用。”

为了得到可能正确的答案而运行数千次量子运算的概念，乍一看似乎适得其反。但是量子计算比传统计算快得多，因此没人会反对进行数千次重复运行。

Qureshi说：“量子计算机的目标不是采用当前程序并使其运行得更快。”“使用量子，我们可以解决即使是即便是最快的超级计算机也几乎不可能解决的问题。拥有数百个量子比特(这超出了当前的技术水平)，我们就可以解决那种最快的超级计算机需要用一千年的时间才能解决的问题。”

Qureshi补充说：“你不会介意进行数千次的计算来获得这样的答案的。”

量子错误缓解方案于10月14日在第52届IEEE/ACM国际微体系结构研讨会上公布。这项工作得到了微软的支持。