飞机上尖叫的婴儿、街上的手提钻、窗外的吹叶机……所有这些“噪声”都会破坏原本宁静的环境。计算机术语中的“噪声”代表了类似的令人不安的情况。在量子计算 (QC) 中，也存在着“噪声”，这也是量子计算发挥其潜力的主要障碍。事实上，加州理工学院理论物理学教授、量子计算的先驱之一 John Preskill 创造了“NISQ”（Noisy Intermediate-Scale Quantum Computers）这个缩写词，意为“含噪声的中型量子计算机”，用于描述当今的 QC 阶段。今天，QC 制造商面临着几个重大挑战，而“噪声”是最难克服的挑战之一。 

量子计算中的噪声

QC 中存在的潜在噪声的出现有很多原因。为了更好地可视化和理解这一点，下图显示了量子比特(QC处理的底层组件，由单个原子、光子或电子组成)如何存储和操作信息：

上图描绘了一个量子比特的几次旋转，蓝色箭头指向旋转前后的各个点（各种旋转是通过表示算法命令的门实现的），红色箭头表示旋转轴。蓝色箭头的结束位置包含重要且精确的信息，但由于多种噪声因素可能会导致错误移动。以下是一些核心来源：

• 环境：量子比特对环境的任何变化都非常敏感。温度或杂散电场或磁场的微小变化可能会干扰量子位并导致信息退化。即使是微弱的星系空间辐射也可以推动量子比特，从而使它们退化。
• 串扰：量子计算机由共同作用的量子比特驱动。通常，单个量子比特由激光或微波操纵。然而，有时激光或微波信号会影响附近的量子比特以及目标量子比特，这个问题被称为串扰。
• 量子退相干：一个量子比特的量子状态迅速恶化，甚至在不到一秒的时间内，这要求 QC 在量子状态崩溃之前启动并完成他们的算法。
• 实施错误：量子算法的命令或门将各种旋转应用于量子位，这些旋转是通过激光或微波脉冲实现的，这些脉冲也可能有些不精确。例如，类似于经典计算机中的NOT门的 x门，本质上将量子比特“翻转”了 180 度。如果执行此操作的脉冲命令仅导致 179 度旋转，那么后续的计算将会有一个潜在的有意义的误差。

您可能熟悉“五个 9”这个术语，它经常用于超高性能的背景中。它通常指的是一个精确度为99.999%的系统，或每100,000个实例中只有一个错误。对于与云提供商签订的服务水平协议，5个9意味着每年的停机时间少于5.26分钟。这是一个高标准，承认某些系统面临各种未知或不可预测的挑战这一现实。尽管量子计算机制造商继续提高其量子比特（处理量子门和算法的底层物理组件）的保真度，但没有一家能够实现超过 99.9% 的双门保真度。虽然这听起来可能很高，而且很可能是你们物理期末考试中可以接受的分数，但这并不足以使量子计算机能够执行复杂的算法，从而超越现有的经典计算机。

如何克服量子计算中的噪声约束？

在19世纪，船只通常会在长途旅行中携带钟表，根据格林威治时间结合太阳在天空中的位置来确定经度。然而，错误的时钟可能会导致危险的导航错误，所以船只通常携带三个时钟。两个显示不同时间的时钟可以检测出其中一个的故障，但需要三个时钟才能识别出哪一个是故障的(如果两个时钟匹配，则第三个时钟是坏的)。这是重复代码的一个示例，其中信息在多个设备中被冗余编码，从而能够检测和纠正故障。在 QC 中，由于测量从根本上干扰了量子信息，我们不能进行临时测量来识别错误，因为这会终止过程，因此数据在多个量子比特之间共享，通常称为“辅助”量子比特，“综合症”量子比特或“辅助”量子比特。一系列门将这些辅助量子比特与原始量子比特纠缠在一起，从而有效地将噪声从系统传递到多个辅助量子位。然后我们可以通过奇偶校验来测量辅助量子位，就像那些冗余时钟一样，可以在不接触或测量原始系统的情况下发现错误。然而，代价是需要许多物理量子位来充当助手，这给 QC 增加了巨大的开销。

此外，由于量子算法的每一步都是引入噪声的机会，因此加快运行时间或减少步骤（即门）数量的努力旨在最大限度地减少噪声破坏输出的机会。除了发现和纠正错误的重复编码方法以及最小化电路深度的整体努力之外，还有一些其他工具可用于解决量子噪声。量子计算软件“堆栈”的高级视图应该有助于为这些添加的方法提供一些背景知识：

上图通常被称为“全栈”，栈的每一层都有机会帮助补偿或最小化噪声。下面是一些正在部署的方法：

量子控制：在通常被称为“金属”的量子比特级别，工程师继续优化脉冲和控制集中在量子比特上的信号，并创建具有增加相干时间的模态。量子位对齐和/或互连的各种方式会影响这一水平，并且不断有进展公布。

硬件感知优化：在机器指令级别，关注转译器效率可以减少错误并最大限度地减少噪声影响。同样，各种量子比特配置以及所使用的特定模式（超导、光学、离子、冷原子等）对算法的性能有影响，而对这一级别的堆栈的关注为降噪提供了另一个机会。

编译器效率：电路优化是 QC 领域许多参与者的目标。重写算法以专注于这一层堆栈的工具是生态系统中一个不断增长且重要的部分。例如，有效使用辅助量子位和/或快速重置它们以重新使用需要更少的运行时间和更少的步骤，这意味着噪声影响程序的机会更少。

算法效率：编写量子算法的方法有很多，因此确保代码尽可能高效（即，消除冗余步骤或最大限度地减少重置或重新校准量子位的需要）是减少噪声的另一个机会。代码效率越高，它可以运行得越快，或者它的电路深度需要越短。

多次射击：作为量子算法标准程序的最终工具是多次运行该算法。每次运行被称为一次“射击”，典型的算法运行1000次射击。通过平均这些射击的输出，通常可以实现“回归均值”，这意味着结果的平均有助于各种噪声影响相互抵消。[量子算法是概率性而非确定性的事实是产生冗余射击的主要原因，但这种冗余也是帮助克服噪声的工具]。

提供各种量子降噪解决方案的量子公司

有许多参与者专注于降噪和部署创新解决方案以优化当今量子机器的性能。其中一些方法可以实现数量级的性能改进，因此这些方法正在产生显著的改进。随着量子硬件玩家发布越来越大的量子机器（例如，IBM 宣布将在明年发布超过 1,000 个量子比特的机器），这些纠错策略将大大加速 QC 实现量子优势的能力，有许多预言家期待明年某个时候取得这样的成就（至少对于某些类型的问题）。以下是一些提供各种量子降噪解决方案的参与者的简要概述：

Classiq：他们灵活而强大的平台自动创建优化和硬件感知电路，形成高级功能模型。它自动化并简化了创建量子算法的困难过程。 

Parity QC：基于 ParityQC 架构开发量子计算机的蓝图，通过大幅降低控制复杂度来创建可扩展的量子计算机。这使他们能够提供完全可编程、可并行的（无 SWAP 门）和可扩展架构，该架构可以以大大降低的复杂性和独立于问题的量子优化架构来构建。由于具有并行化门的能力，ParityQC 架构引入了基于全局门的算法。在每个步骤中，同时执行一个门模式。这消除了为每个单独的门实现控制信号的需要，而只需要一个用于所有门的单一控制信号。这为硬件设计提供了巨大的优势，并为减少量子位设计期间的串扰错误提供了途径。

Q-CTRL：他们的量子控制基础设施软件为研发专业人员和量子计算终端用户提供了全球最高性能的纠错和抑制技术，并提供了独特的能力加速通向第一个有用的量子计算机的途径。这项基础技术也适用于新一代量子传感器，并使Q-CTRL能够塑造和支撑量子技术的每一个应用。

Riverlane：一家专注于整个堆栈的量子软件提供商，旨在挤出每一点效率。他们的 Deltaflow.OS ® 操作系统与所有当前的量子硬件平台兼容，包括基于门的方法和退火方法。这使他们能够提供完全可编程、可并行化（无 SWAP 门）和可扩展的架构，可以与硬件合作伙伴一起以大大降低的复杂性和量子优化架构来优化他们的架构设计以进行纠错。

Super.tech：芝加哥量子交易所/UChicago Duality Accelerator 的第一批成功成员，于今年早些时候被 ColdQuanta 收购。他们的 SuperstaQ 量子软件平台针对整个量子堆栈进行了优化，可将典型量子程序的错误减少 2 倍。SuperstaQ 包含一个复杂的错误缓解技术库，包括动态去耦、激发态提升和零噪声外推。SuperstaQ 根据目标硬件的脉冲级本地门自动优化量子程序。

Xanadu：他们的 PennyLane 软件是领先的编程工具，它利用了一个跨平台的 Python 库，该库支持量子可微分编程，它可以与机器学习工具无缝集成。PennyLane 还支持一整套功能、模拟器、硬件和社区主导的资源，使各级用户能够轻松构建、优化和部署量子经典应用程序。

Zapata：一家量子计算软件公司，为广泛的行业开发解决方案。Zapata 的 Orquestra™ 平台允许用户编写支持量子的工作流，并跨经典和量子技术协调其执行。Orquestra 结合了强大的软件平台、量子算法库和跨机器学习、模拟和优化的示例工作流。Orquestra 自动扩展并利用任务并行化机会更快地运行量子算法。

原文链接：https://quantumtech.blog/2022/09/08/quantum-computing-noise/

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