量子計算機在從物流到金融的各個領域都越來越受歡迎。但是，正如大多數使用者所知，由於硬體的缺陷，他們仍然是研究實驗。當今的機器往往會遭受硬體故障的困擾，即稱為量子位的基本量子資訊載體中的錯誤，其發生時間要短於一秒鐘。與傳統計算機中的電晶體發生故障之前大約連續十億年的工作相比，很顯然，我們還有很長的路要走。

像IBM和Google這樣的製造量子計算機的公司都強調說，他們的路線圖包括使用“量子錯誤校正”來實現所謂的容錯量子計算，因為它們可以擴充套件到具有1000或更多量子位元的機器。

量子糾錯（簡稱QEC）是一種旨在識別和修復量子計算機中的錯誤的演算法。它能夠從經過驗證的數學方法中提取經驗，這些方法用於設計特殊的“輻射硬化”經典微處理器，這些微處理器部署在空間或其他極有可能發生錯誤的極端環境中。

QEC是真實的，並且已經在世界各地的實驗室中進行了許多區域性演示–初步步驟明確了這是一種可行的方法。有說服力的證明2021年可能會在真正的量子計算硬體中帶來淨收益。

不幸的是，隨著公司路線圖和複雜的科學文獻強調了越來越多的相關實驗，一種新興的敘述錯誤地將QEC描繪成威脅生命的量子計算疾病的靈丹妙藥。

QEC與容錯量子計算理論相結合，表明工程師原則上可以構建任意大型的量子計算機，如果正確操作，該計算機將能夠進行任意長的計算。這將是一項令人震驚的強大成就。可以實現的前景鞏固了量子計算機科學的整個領域：用執行QEC的“邏輯”量子位替換所有量子計算硬體，甚至可以使用最複雜的演算法。例如，可以使用Shor的演算法，僅用幾千個經過糾錯的邏輯量子位來使比特幣不安全。從表面上看，這似乎與2023年承諾的1,000+量子位機器相距不遠。（劇透警告：這是解釋這些數字的錯誤方法）。

當我們在實踐中考察QEC的實施時，挑戰就來了。執行QEC本身的演算法會消耗資源-更多的量子位和許多操作。

回到工業中使用1,000量子位機器的承諾，可能需要那麼多資源，以至於這些1,000量子位只能產生5個有用的邏輯量子位。

更糟糕的是，當前應用QEC必須要做的額外工作量所帶來的錯誤多於糾正。QEC的研究從1990年代後期的最早努力中取得了長足進步，引入了數學技巧，可以緩解相關的開銷或使邏輯量子位的計算更容易進行，而不會干擾正在執行的計算。而且收益是巨大的，達到了收支平衡點，實際上執行QEC勝於不執行，至少比原始預測值近1,000倍。不過，最先進的實驗演示表明，在大多數情況下，什麼都不做比應用QEC至少好十倍。

這就是為什麼由美國情報界執行的一項主要的公共部門研究計劃在過去的四年中一直在尋求最終突破實驗硬體的收支平衡點的原因，僅是一個邏輯量子位。我們很可能會在2021年毫不含糊地實現這一目標-但這只是旅程的開始，而不是終點。

越過盈虧平衡點並實現有用的，有效的QEC，並不意味著我們突然進入了沒有硬體錯誤的時代，而只是意味著我們的硬體將更少。如果我們將無窮的資源專用於流程，那麼QEC只能完全抑制錯誤，這顯然是站不住腳的。而且，即使忘記了這些理論上的限制，QEC還是不完美的，並且依賴於對其糾正任務的錯誤性質的許多假設。與這些數學模型的微小偏差（在實際實驗室中經常發生）會進一步降低QEC的有效性。

與其將QEC視為能夠治癒量子計算機中所有錯誤的單一藥物，不如將其視為藥物混合物的重要組成部分。

QEC與數學上的抽象量子計算一樣特別，實際上，它實際上只是所謂的反饋穩定化的一種形式。反饋與用於巡航控制時調節速度或防止步行機器人傾翻時使用的技術相同。這種認識為從整體上解決量子計算中的錯誤問題提供了新的機會，並最終可以幫助我們更接近我們真正想要的：具有更少錯誤的真實量子計算機。

幸運的是，有跡象表明，研究界內部正在出現實用性的觀點。例如，更加強調QEC的近似方法，這些方法有助於處理特定系統中最有害的錯誤，但對其他系統的有效性卻有所降低。

硬體級的開環量子控制與基於反饋的QEC的組合也可能特別有效。量子控制允許一種“錯誤虛擬化”形式，其中在實施QEC編碼之前，對硬體的整體錯誤屬性進行了轉換。這些措施包括降低總體錯誤率，改善裝置之間的錯誤統一性，更好地抵抗緩慢變化的硬體穩定性以及錯誤統計資訊與QEC假設的更大相容性。這些優點中的每一個都可以減少有效實施QEC所需的資源開銷。對量子計算中的錯誤問題的這種全面瞭解-從硬體級別的量子控制到演算法QEC編碼-可以在固定硬體資源的情況下提高淨量子計算效能。