美國公司透過專用晶片與 NVIDIA 軟件結合 提升量子錯誤修正效率 50%

量子計算機需要在不降低計算速度的情況下糾正錯誤。如今，量子計算公司 SEEQC 表示，其已展示出一種架構，透過將專用晶片處理技術與 NVIDIA 的量子計算軟件及 GPU 基礎設施結合，將兩項關鍵的量子錯誤糾正解碼指標改善約 50%。該結果結合了 SEEQC 的基於晶片的預解碼技術與 NVIDIA Ising，這是一個開放的 AI 模型系列，包含量子錯誤糾正的工具，以及 NVIDIA NVQLink，該接口旨在將量子處理器與 GPU 加速計算系統連接。

此次示範使用了模擬的量子處理器及系統架構，並在大規模中考慮了現實的解碼延遲。它將結合架構與 NVIDIA Ising 作為獨立預解碼器的表現進行比較。SEEQC 報告顯示，其解碼延遲約減少 50%，並且邏輯錯誤率的性能有所改進。這些結果可能為減少構建容錯量子計算機的一大瓶頸提供了思路：快速處理錯誤糾正資訊，以保持日益複雜的量子系統的可靠運行。

SEEQC 的新架構

量子計算機需要更快的錯誤糾正。量子計算機使用量子位（qubits），可用不同於傳統二進制位的方式表示量子資訊。然而，量子位對環境的幹擾及控制操作的不完美極其敏感。這些錯誤可能會累積並破壞計算過程。量子錯誤糾正通過將資訊編碼在多個物理量子位上，並利用測量來檢測錯誤，而不直接測量和摧毀編碼的量子資訊，來應對這一問題。經典計算系統隨後處理這些測量，以確定所需的糾正措施。

這一經典處理階段稱為解碼。隨著量子處理器的增長，需處理的資訊量可能大幅增加，對可用於錯誤糾正的時間和計算資源施加壓力。兩個重要的指標是解碼延遲，即處理錯誤資訊所需的時間，以及邏輯錯誤率，描述編碼邏輯量子位經歷錯誤的頻率。減少這兩者有助於使容錯量子計算更具實用性。

解碼的挑戰與解決方案

SEEQC 的方法使用基於晶片的預解碼器來處理部分解碼工作負載，將其置於量子處理單元（QPU）附近。系統然後利用 NVIDIA Ising 的解碼能力，藉助 SEEQC 的數位鏈接和 NVIDIA NVQLink 提供一個低延遲的通信框架，在量子和 GPU 加速計算環境之間進行連接。其理念是先在本地處理部分資訊，然後再發送至更高級的經典計算資源。這可以減少在組件之間需要傳輸的數據量，同時加快時間敏感的操作。

因為量子計算機無法僅通過增加更多量子位來擴展，它們的支持電子設備、通信鏈接和經典處理系統也必須保持同步。將選定的處理任務更接近 QPU，可以幫助減少隨著系統增長而需要的錯誤糾正所需的時間和基礎設施開銷。

未來的發展計劃

SEEQC 首席執行官 John Levy 表示，這些結果顯示數字晶片技術如何改善量子處理器與高性能計算基礎設施之間的接口。NVIDIA 的量子產品總監 Sam Stanwyck 表示，這項工作顯示開放模型和接口如何幫助量子硬件開發者將專用處理與 AI 和 GPU 計算相結合。報告中提到的 50% 改進是令人鼓舞的，但需要在背景中理解。該實驗使用的是模擬量子處理器及架構堆疊，而不是在完全運行的物理量子計算機上展示相同的性能增益。

這一公告也並未確立該改進將直接轉化為構建容錯系統所需的總資源減少 50%。相反，這些結果提供了證據，表明在專用晶片處理和 GPU 加速計算之間分配解碼任務可能改善錯誤糾正管道的關鍵部分。

SEEQC 表示，其下一步是整合迄今為止展示的系統級組件，並朝著將量子處理器與先進的高性能計算基礎設施進行晶片對晶片的集成。該公司還計劃進一步研究改善量子錯誤糾正及其他混合量子-經典工作負載的機會。最終，實用的容錯量子計算將需要在整個系統上取得進展，從量子位和控制電子設備到通信和解碼。SEEQC-NVIDIA 的示範解決了這一挑戰的一部分，顯示更緊密的硬件和軟件集成如何幫助量子系統更高效地擴展。

量子錯誤糾正技術的突破意義

量子計算的發展面臨著錯誤糾正的挑戰，因為量子位對環境干擾極為敏感。SEEQC 與 NVIDIA 的合作展示了專用晶片技術如何有效改善錯誤糾正效率，這對於提升量子計算機的實用性至關重要。透過將部分解碼工作負載移至量子處理單元附近，可以減少解碼延遲，從而提升整體性能。這一創新不僅促進了量子計算的發展，還可能改變量子硬件開發者的設計思路，未來的進一步研究將有助於實現更高效的量子系統。