耶鲁大学正牵头开展一项由美国国家科学基金会支持、为期五年、金额为 3,750 万美元的工作，以攻克量子纠错这一可靠量子计算的核心障碍。新的 NSF 实用量子纠错物理与工程量子跃迁挑战研究所（NSF PRACTIQAL）汇集跨学科和跨大学研究人员，致力于开辟通往实用、工业规模量子计算机的道路。这项工作之所以重要，是因为量子机器必须以快于错误发生的速度识别并纠正错误，才能可靠地应用于现实世界。。
关键事实
- 这项 NSF 资助总额为 3,750 万美元，支持由耶鲁大学牵头的五年项目。
- NSF PRACTIQAL 将从物理量子比特和控制电子设备到算法，全面应对量子纠错问题。
- 该中心将聚焦扩大经纠错机器的规模，并研究“擦除量子比特”——这种量子比特旨在标示错误发生的位置和时间。
- 这项资助是 NSF 为大型跨学科研究中心设立的八项量子跃迁挑战研究所资助之一。
这对研究人员和大学意味着什么
对于研究人员和参与大学而言，NSF PRACTIQAL 建立了一个涵盖物理学、工程学、计算机科学和化学的协同项目。该中心并非将硬件、纠错码和算法视作彼此独立的问题，而是计划将其协同优化，以使容错量子系统更具可实现性、效率和实用性。
参与其中的耶鲁大学教师包括 Robert Schoelkopf 和 Michael Hatridge，以及 Yongshan Ding、Lin Zhong、Aleksander Kubica、Shruti Puri、Steven Girvin、Konrad Lehnert 和 Victor Batista。该研究所还包括合作大学、产业伙伴以及外部顾问委员会，旨在帮助其研究保持与更广泛量子计算界的相关性。
为什么量子纠错是该项目的核心挑战？
量子纠错之所以居于核心地位，是因为量子比特十分脆弱：噪声和其他环境因素会扰乱其量子态。因此，一台实用机器需要以快于错误发生的速度检测和纠正错误。NSF PRACTIQAL 的设计目标，是研究让这一过程在更大系统中更加高效和可行所需的科学与工程技术。
传统计算信息以稳健的 1 和 0 表示，而量子比特更容易出错。尽管量子计算有望处理经典计算机几乎无法解决的问题，包括材料科学和药物设计中的潜在应用，但这一差异使可靠性成为量子计算的一大障碍。
“如今，纠错是让量子计算发挥作用的主要科学与工程挑战，”该中心主任、应用物理学 Sterling 教授 Robert Schoelkopf 表示。
NSF PRACTIQAL 如何连接量子计算技术栈
该中心的方法是在量子计算机的每一个层级开展工作。研究人员将研究物理量子比特和控制电子设备，也将研究用于运行机器的编码和算法。目标是确保硬件和软件能够为运行兼容类型的代码而设计，从而提高效率并降低对错误的易感性。
一项研究重点是识别阻碍经纠错机器扩展规模的问题。第二项重点是探索由 PRACTIQAL 团队成员率先研究的擦除量子比特。这类经过特殊设计的量子比特可作为标志，识别错误的位置和发生时间；研究所将把这一方法作为让纠错更具实用性的一部分加以研究。
PRACTIQAL 联合主任、应用物理学副教授 Michael Hatridge 表示，许多此前工作集中于为纠错而优化的极小型机器。该团队的目标不是建造一台巨型系统，而是通过验证理念并规划更大系统的路线，缩短通往大规模、经纠错量子计算机的道路。
这项五年工作计划实现什么目标
研究人员预计，到五年项目结束时，将形成一条通往工业规模实用纠错计算机的路径。该研究所的作用是协调通常集中于单个组件的专业知识，并将其应用于经过优化的整机设计。
这项 NSF 资助是量子跃迁挑战研究所八项资助之一。这些研究所是应对量子信息科学与技术重大挑战的大型跨学科中心。对耶鲁大学及其合作者而言，这笔资助支持他们把关于量子设备错误的基础研究，与构建可靠机器所需的硬件和软件选择连接起来。
常见问题
什么是 NSF PRACTIQAL？
NSF PRACTIQAL 是 NSF 实用量子纠错物理与工程量子跃迁挑战研究所。它由耶鲁大学牵头，是一个为期五年、金额为 3,750 万美元的中心，汇集计算机科学家、化学家、物理学家和工程师，以推进大规模、经纠错量子计算。
什么是擦除量子比特？
擦除量子比特是经过特殊设计、能够精确标示错误发生位置和时间的量子比特。NSF PRACTIQAL 将探索其应用，作为使量子纠错更实用、更高效的工作的一部分。
