南加州大学的科学家们展示了一种提高量子计算机性能的理论方法，这是向大规模应用一项有潜力解决一些社会最大挑战的技术迈出的重要一步。
该方法解决了困扰下一代计算机性能的一个弱点，即在提高计算结果保真度的同时，抑制错误计算，这是下一代计算机超越传统计算机的关键一步。它被称为“动态解耦”，在两台量子计算机上工作，被证明比其他补救方法更容易、更可靠，而且可以通过云访问，这是第一次实现动态解耦
这种技术利用微小的、聚焦的能量脉冲断断续续地爆发来抵消干扰敏感计算的环境干扰。研究人员报告说，他们能够维持一个量子态的时间是不受控制状态下的三倍。
“这是向前迈出的一步，”南加州大学电子工程、化学和物理教授、南加州大学量子信息科学与技术中心主任丹尼尔·利达(Daniel Lidar)说。“如果没有误差抑制，量子计算就不可能超越经典计算。
研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。激光雷达是南加州大学的维特比工程教授和该研究的通讯作者;他在CQIST领导了一个研究团队，CQIST是由南加州大学维特比工程学院和南加州大学多恩西夫文理学院合作成立的。IBM和旧金山湾区的创业公司Rigetti Computing为他们的量子计算机提供了云接入。
量子计算机速度快但很脆弱
量子计算机有潜力淘汰今天的超级计算机，并推动医学、金融和国防能力的突破。他们利用原子的速度和行为来完成看似不可能完成的计算，而原子的功能与硅计算机芯片截然不同。
量子计算具有优化新药治疗、气候变化模型和新机器设计的潜力。它们可以实现更快的产品交付速度、更低的制成品成本和更高效的运输。它们由量子位元、亚原子的主要工作部件和量子计算的构建块提供动力。
但是量子位元就像高性能赛车一样喜怒无常。它们速度快、技术含量高，但容易出错，需要稳定性来支持计算。当它们不能正确操作时，就会产生糟糕的结果，这就限制了它们相对于传统计算机的能力。世界各地的科学家还没有取得“量子优势”——即量子计算机在任何任务上都比传统计算机表现得更好。
问题出在“噪声”上，这是一种对声音、温度和振动等扰动的全面描述。它可以破坏量子位元的稳定，从而产生“退相干”，这种扰动会破坏量子态的持续时间，从而缩短量子计算机执行任务的时间，同时获得准确的结果。
噪声和退相干对计算有很大的影响和破坏，噪声过大的量子计算机是无用的。
丹尼尔激光雷达
激光雷达解释说:“噪声和退相干对计算有很大的影响，会破坏计算，而一台有太多噪声的量子计算机是没有用的。”“但如果你能解决与噪音有关的问题，那么你就会开始接近量子计算机变得比传统计算机更有用的地步。”
南加州大学的研究跨越多个量子计算平台
南加州大学是世界上唯一拥有量子计算机的大学;其1098量子比特d波量子退火机专门解决优化问题。它是南加州大学洛克西德·马丁量子计算中心的一部分，位于南加州大学信息科学研究所。然而，最新的研究成果不是在D-Wave机器上取得的，而是在更小的通用量子计算机上取得的:IBM的16量子位QX5和Rigetti的19量子位Acorn。
量子计算机芯片必须封装在低温环境中。(图片/Justin Fantl, Rigetti Computing)
为了实现动态解耦(DD)，研究人员用紧密聚焦的、定时的微小电磁能量脉冲清洗超导量子位元。通过操纵脉冲，科学家们能够将量子位元包裹在微环境中，与周围环境的噪声隔离或解耦，从而使量子态永久化。
“我们尝试了一种简单的机制来减少机器中的误差，结果证明这是有效的，”南加州大学维特比分校(USC Viterbi)电气工程博士生、该研究的第一作者比贝克·波卡雷尔(Bibek Pokharel)说。
实验的时间序列非常小，最多可达200个脉冲，跨度可达600纳秒。十亿分之一秒，或纳秒，是光传播一英尺所需要的时间
对于IBM量子计算机，最终的保真度提高了三倍，从28.9%提高到88.4%。根据这项研究，对于Rigetti量子计算机来说，最终的保真度提高了17%，从59.8提高到了77.1。科学家们测试了保真度的提高可以持续多长时间，发现更多的脉冲总是能改善Rigetti计算机的性能，而IBM计算机的脉冲数量限制在100个左右。
激光雷达说，总的来说，研究结果表明DD方法比迄今为止尝试的其他量子误差校正方法效果更好。
“据我们所知，”研究人员写道，“这是基于云计算的超导量子位平台首次明确证明成功地降低退相干……我们希望从中吸取的教训将具有广泛的适用性。”
量子霸权竞赛的高风险
对欧洲、中国、加拿大、澳大利亚和美国来说，寻求量子计算的霸主地位是地缘政治的优先任务。获得第一台淘汰所有其他计算机的计算机所获得的优势将是巨大的，并将给赢家带来经济、军事和公共卫生方面的优势。
国会正在考虑两项新法案，以确立美国在量子计算领域的领导地位。今年9月，美国众议院通过了《国家量子倡议法》(National Quantum Initiative Act)，将在五年内拨款13亿美元用于刺激研发。它将在白宫设立一个国家量子协调办公室来监督全国范围内的研究。另一项法案是由加利福尼亚州民主党参议员卡玛拉哈里斯(Kamala Harris)提出的《量子计算研究法案》(Quantum Computing Research Act)。他指示国防部领导一项量子计算工作。
哈里斯在事先准备好的发言中说:“量子计算是下一个将改变世界的技术前沿，我们不能落后。”“它可以为下一代创造就业机会，治愈疾病，最重要的是让我们的国家更强大、更安全。如果在量子计算方面没有足够的研究和协调，我们就有可能在网络空间竞赛中落后于全球竞争对手，这使我们很容易受到对手的攻击。”
该研究的作者包括激光雷达和三位研究生——波卡雷尔、纳米特·阿南德和本杰明·福特曼——他们共同撰写了这篇论文。该项目源于激光雷达教授的量子误差校正课程。
这项研究的部分资金由甲骨文实验室(Oracle Labs)、甲骨文美国公司(Oracle America Inc.)和洛克希德马丁公司(Lockheed Martin Corp.)提供。
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