量子電腦有能力解決傳統電腦難以處理的計算問題，但在計算過程中會出現傳統電腦不會發生的錯誤，因此需要嶄新的糾錯技術。
物理學有一條定律：凡是不禁止的事，就必然發生。因此，錯誤無可避免。任何事物都可能出錯：語言、烹飪、通訊、影像處理，當然還有運算。減少並糾正錯誤能讓社會持續運作。DVD刮花了依然能夠播放；行動條碼（QR code）可能模糊或破損，但還是可以讀取；太空探測船拍到的影像可以傳遞數億公里，看起來依然清晰。糾錯（error correction）是資訊技術當中最為基本的概念。錯誤或許無可避免，但可以糾正。
這條無可避免的定律同樣適用於量子電腦。這些新興機器利用物理學的基本法則，解決傳統電腦難以處理的問題，對科學和商業的影響深遠。但能力越強，弱點越大。量子電腦會出現傳統電腦不會發生的錯誤類型，只靠標準的糾錯技術無法解決問題。
我是在國際商業機器公司（IBM）研究量子計算（quantum computing）的物理學家，但職業生涯不是從這裡開始。我一開始是凝態（condensed-matter）理論學家，研究材料的量子力學特性，例如超導性；當時我渾然不知，這最終致使我研究量子計算。其中的轉折是我中斷了研究，轉任到美國國務院研究科學政策，進而任職於美國國防高等研究計畫署（DARPA）以及美國情報高等研究計畫署（IARPA）。在這兩個機構任職時，我想要利用大自然的基本原理來研發新技術。
當時，量子電腦還在最早期的階段。雖然阿崗國家實驗室的班尼奧夫（Paul Benioff）在1980年就提出概念，物理學家花了將近20年才打造出第一台量子電腦。又過了10年，在2007年，他們發明了基本資料單元，稱為超導transmon量子位元，是IBM、Google和其他公司製造量子電腦的基礎。因為超導體方面的研究經驗，我突然很受歡迎。我在IARPA協助執行了好幾項量子計算研究計畫，之後加入了IBM。
在IBM，我致力於改善使用多個相連的量子位元執行的運算，並探索糾錯法。透過纏結（entanglement）這種量子現象來連結量子位元，可以儲存大量資訊，遠勝過同樣數量的傳統電腦位元。因為量子電腦的狀態是以波的形式存在，可以像光波一樣干涉，比起轉換位元（flipping bit），能產生更豐富的運算樣貌。這些能力讓量子電腦可以非常有效率地執行某些功能，以期加速各式各樣的應用，例如模擬大自然、研究並設計新材料、發現資料中隱藏的特徵來改善機器學習，或是為工業化學製程找到更有能源效率的催化劑。
問題在於，很多解答實用問題的提案，都需要量子電腦在幾百到幾千個量子位元上，執行幾十億次邏輯運算，或稱閘（gate）。要達成這項成果，每幾十億個閘最多只能犯一次錯誤。但今天最強大的量子電腦每1000個閘就會犯一次錯誤。面對實務與理論之間的巨大差距，早期的物理學家擔心，量子計算永遠只會是基於好奇心進行的科學研究，難以付諸應用。
保護量子資訊
1995年，情勢有了變化，貝爾實驗室的修爾（Peter Shor）和英國牛津大學的斯提內（Andrew Steane）分別研發出量子糾錯（quantum error correction, QEC）技術。他們展示了如何把一個量子位元的資訊分散到多個物理量子位元（physical qubit），利用不可靠的元件打造出可靠的量子電腦。只要物理量子位元的品質夠高，錯誤率低於某個閾值，消除錯誤的速度就可以高於錯誤累積的速度。
要了解修爾和斯提內的研究何以是重大突破，可透過一般糾錯的運作方式。一個簡單的糾錯碼會製作資訊的副本，例如以000代表0，以111代表1。如果電腦讀出010，就知道原始值可能是0。當錯誤率夠低，最多只有一個位元副本毀壞時，這樣的糾錯碼就算成功。工程師讓硬體盡可能可靠，然後增加一層冗餘，以消除任何剩餘的錯誤。
然而，當時並不清楚要如何把傳統的糾錯法應用在量子電腦。量子資訊無法複製；要糾錯，必須透過測量來蒐集資訊。問題是，如果檢查量子位元，可能會讓它們的狀態塌縮，換句話說，可能會摧毀其中編碼的量子資訊。再者，除了有位元轉換的錯誤，描述量子位元狀態的波相位也會發生錯誤……
【欲閱讀全文或更豐富內容，請參閱〈科學人知識庫〉2022年第246期08月號】
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