2026年10月20日——量子计算机有望处理普通计算机和超级计算机无法完成的某些复杂数学计算和高级模拟。但当今的量子硬件容易出错，而在高要求模拟所需的长时间操作序列中，错误会不断累积。

一种解决方案是构建容错量子计算机，利用量子纠错在错误破坏计算之前发现并修复错误。然而，这需要大量硬件和时间。

UCF电气与计算机工程系助理教授Siyuan Niu正与她的研究团队合作，包括UCF共同研究人员Di Wu和Eduardo Mucciolo，以确定一种所需硬件更少的部分容错量子计算机能否在当今的噪声设备和完全容错机器之间提供可行的折中方案。目标是改进模拟如何转换为量子操作、错误识别有多快和多准确，以及如何估算运行模拟所需的量子与经典计算资源总量。该项目由美国能源部提供的40万美元拨款资助。

更广泛的目标是确定这些先进机器能否以及何时实现量子实用性，即能够以实际可行的成本执行具有科学价值的计算。

“对于这个项目，任务是模拟电子在材料中的行为，”Niu说。“团队希望弄清楚，一种新兴类型的量子计算机能否以足够准确、足够快速，并且具有合理的量子硬件和经典计算需求的方式完成这项任务，从而值得去做。”

团队将使用Fermi-Hubbard模型——研究相互作用电子的一种标准方法——作为基准，检验部分容错计算机能否模拟这些电子随时间演化的过程。同时，计算机需要通过量子纠错将错误控制在可接受范围内，这样即使单个量子比特和操作偶尔失败，它也能继续做出可靠计算。

“它通过将信息分散到多个物理量子比特上、反复检查错误迹象，并使用快速经典解码器在错误破坏结果之前定位并纠正它们来做到这一点，”Niu说。“量子计算机需要这一点，因为量子比特很脆弱，而且在一次有用模拟所需的众多操作过程中，错误会不断累积。”

Niu的项目将针对时空高效模拟旋转（Space-Time Efficient Analog Rotation，STAR）架构，这是一种部分容错设计，使用完全纠错来保护基本量子操作，而量子模拟严重依赖的旋转操作则以“模拟”旋转的形式直接应用，仅获得部分保护。

“这可以避免完全容错设计执行此类旋转所需的一些额外量子比特和时间，”Niu说。“代价是这些旋转会带有一些残余错误，并且可能需要重复直到成功，因此必须对它们进行仔细管理和调度。该项目正在针对这一权衡调整其编译器和成本估算。”

到项目结束时，Niu的团队旨在交付一个开源框架，该框架结合量子模拟编译器、基于GPU的快速准确解码器和资源估算器。这些组件合在一起将展示在量子计算机上进行电子模拟需要多少量子比特、多少时间、多少经典计算能力以及何种类型的操作。由于该框架是模块化的，其他研究人员将能够接入自己的编译或解码方法。

“将这些结果与当今噪声大、未受保护的设备以及完全受保护的设计进行比较，可以帮助研究人员判断哪些模拟是现实的、哪些硬件改进最重要，以及有用应用何时可能变得可行，”Niu说。“这将是一份路线图和评估，而不是对量子优势的保证性演示。”