量子技术面临的基本挑战之一是处理噪声和错误。量子比特是有噪声的，这会导致它们的量子态被破坏。处理这些错误并构建可靠的量子计算机是当今发展面临的最大挑战。

在最近的一项突破中，Q-CTRL展示了量子控制在降低错误严重性方面的实用性，该公司最终在真实的硬件上将量子算法的性能提高了9000倍。这项工作展示了其Fire Opal技术在硬件和电路水平抑制错误的能力。他们的工作证明，Q-CTRL的错误抑制技术对于量子纠错的可行性至关重要。

为了实现大规模的量子计算，硬件开发人员最终需要将完整的量子纠错(QEC)方案整合到他们的平台中。QEC可以使用特殊算法识别和纠正积累的残余错误。即使利用不可靠的组件，QEC原则上也能实现任意大型量子计算机！因为，QEC被认为对量子计算的长期未来是至关重要的。

纠错的概念在经典计算中是很容易理解的，即“重复码”，其中1个经典比特的逻辑信息被编码为多个物理副本。例如，如果我们想确保逻辑比特串“0,0,1”被可靠地传输和接收，我们可以通过多次重复每个元素来发送三重冗余编码版本：“000,000,111”。如果冗余编码位中的一个从0变化到1，例如，接收到位串“001,000,111”，则可以通过在每个3位块中的“多数票”来识别错误以恢复到原始值上。

QEC同样利用冗余原理来提供“校正子”数据以可靠地纠正量子信息。然而，量子物理学提出了两个挑战：不可能复制(克隆)任意量子态；并且测量量子态会从本质上改变它。幸运的是，可以通过允许信息编码和进行部分测量的特殊技巧来绕过这些障碍。量子纠错理论现在已经很成熟，并且已经看到了许多基础性的演示。

那么，为什么QEC还没有被广泛使用呢？它也还没有达到为用户带来实际净收益的地步。这是由于在通过“校正子”测量编码和识别错误的过程中所需的所有开销导致的。在当前的QEC演示中，总的来说，引入的错误要多于能纠正的错误。

如果我们退后一步，我们实际上可以找到一条新的前进道路。首先，我们必须看到实现QEC代码所需的基本元素与任何其他量子算法相同——利用电路中的量子门和提供有错误校正子的测量。然后，在一个更大的控制回路中，这些输出信息被用来纠正错误，这在原则上类似于量子化学或金融领域中使用的那些变分算法。

值得注意的是，虽然QEC在数学上是量子计算机科学的基础，但实际上它与在量子计算机上运行的其他算法密切相关。这揭示了利用已经验证的技术来增强QEC协议的新途径，以改进在近期的设备上运行的量子算法。

在Q-CTRL，该公司从整体上研究了量子计算机中的错误问题，包括从最低级别的硬件稳定性到QEC协议的有效执行。为此，该公司的研究团队最近将Fire Opal(能系统地增强任何算法的硬件性能)与QEC编码和误差校正子测量协议相结合，以提高在超导量子比特上执行QEC的整体性能。该团队发现，在生产硬件上其提取校正子的准确性提高了70%。

Q-CTRL首席科学家Yuval Baum博士说：“我们在IBM的量子计算硬件上实现了一种最小的量子纠错码，我们称为5量子比特码。它总共需要9个量子比特，其中5个是数据量子比特，其他是辅助量子比特。为了衡量性能的提升，我们将一种众所周知的校正子的人为错误注入到数据量子比特，并将其与测量的校正子进行比较。”

Q-CTRL量子集成高级科学家Pranav Mundada博士说：“我们的工具将使硬件制造商能够达到其设备的最终性能极限，并适应他们选择的任何量子误差架构。这个演示还只是一个开始，我们期待与我们的合作伙伴合作，以帮助他们在他们的平台上克服实现量子纠错的盈亏平衡点。”

量子控制是一种非常强大的工具，可以在量子计算机中从堆栈底部到顶部提供性能增强。这些新结果再次证明了Fire Opal在提高任意算法(甚至是QEC)性能方面的能力。随着量子计算硬件的成熟，从可用硬件中提取每一点性能对于将量子纠错转化为有益的工具是至关重要的。Fire Opal及其在确定性错误抑制方面的世界领先能力，对于使量子计算机现在和长期变得有用是至关重要的。（编译:Qtech）