“量子纠错”突破性盼望！谷歌和中国研究团队打响量子竞速赛

不出所料，超导量子盘算的研究领域又双叒有大消息啦！

就在 2024 年 12 月 9 日，来自谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的研究团队，乐成研制了全新一代的超导量子盘算芯片“柳木（Willow）”，吸引了学术界和工业界的广泛关注。

干系研究结果以《Quantum error correction below the surface code threshold（外貌码阈值以下的量子纠错）》为题，在线发表于国际顶尖学术期刊《Nature》上。Willow 超导量子盘算芯片的诞生，意味着这个曾经困扰科学家近 30 年的“量子纠错”题目，终于迎来了乐成的曙光！

那么，困扰科学家如此之久的“量子纠错”题目到底是什么？Willow 超导量子盘算芯片的乐成研制为何能让科学家们如此高兴呢？

就请各位读者保持好奇心，来和我们共同揭开超导量子盘算芯片的秘密面纱吧！

运算错误是盘算中不可避免的题目，在量子盘算中更为显着。

这是由于，量子盘算的根本运算单元——量子比特，对外界情况的噪声和干扰十分敏感。因此，量子比特在实际的量子盘算过程中很轻易发生运算错误，从而难以输出稳固可靠的运算结果。也就是说，固然量子盘算在特定任务的处置惩罚上具有超越经典盘算机的强盛并行算力，但是量子盘算机很轻易堕落，现在仍然处于“带噪声的中等规模量子（NISQ）”阶段。

为了解决量子盘算机轻易出现运算错误的题目，科学家们提出了“量子纠错”的概念，其主要目标就是使得量子盘算可以或许在不破坏盘算过程的前提下，辨认和改正实际发生的运算错误，从而输出稳固可靠的运算结果。因此，“量子纠错”被以为是构建真正实用化量子盘算机的须要条件，同时也是量子盘算现今面临的“卡脖子”困难。

实在早在 1995 年，物理学家彼得·肖尔（Peter Shor）就提出了“量子纠错”的概念，其核心思想就是将多个对外界干扰特别敏感的物理量子比特，编码成一个非常可靠的“逻辑量子比特”，从而实现对于信息的编码保护。

这样一来，科学家们就可以使用此中的一些物理量子比特来辨认这个“逻辑量子比特”的团体状态，从而决定接纳符合的方案来改正发生的运算错误。

需要补充分析的是，“逻辑量子比特”是一种抽象的物理概念，它由多个协同工作的物理量子比特构成，可以或许通过编码和错误改正等技能，实现对量子信息的保护。因此，“逻辑量子比特”的运算性能要优于物理量子比特，被以为是真正实用化的量子比特。

就像“把大象装冰箱里”一样，“量子纠错”方案同样也可以分解为以下 3 个步骤：

根据检测出的错误，科学家们会接纳特定的“量子纠错”算法来包管错误被有用地改正，从而低落团体的运算错误率。

在抱负情况下，“量子纠错”方案中所涉及的物理量子比特越多，那么这个“逻辑量子比特”就更加可靠，整个的运算错误率也会随之低落。

然而，抱负很精致，实际却很“骨感”。

由于物理量子比特本身也存在肯定的错误率，而且受限于“量子操控”的精度，在实际的大规模“量子纠错”过程中，极有大概出现“越纠越错”的尴尬情况。

因此，要想让“逻辑量子比特”的表现优于物理量子比特，这就需要物理量子比特的错误率低于一个特定的阈值。只有这样，“量子纠错”方案才气从“越纠越错”，变化为“越纠越好”的抱负目标。

在正式介绍怎样举行“量子纠错”之前，不妨让我们先回首一下这位熟悉的老朋侪——超导量子盘算。

简单而言，超导量子盘算的核心元器件是约瑟夫森结（Josephson junction），它带来的非线性特性可以或许让此中的某些特定能级，编码成为物理量子比特，从而构成超导量子盘算的根本运算单元。与此同时，要想保持约瑟夫森结的有用工作，就需要将超导量子盘算体系置于零下 273.12℃ 或更低的极低温情况中运行。

那么，超导量子盘算又是具有哪些独特的优势，从而成为“量子纠错”中的“急前锋”呢？

起首，超导量子盘算方案与现今主流的集成电路工艺相兼容，具有研制周期短和高度的可扩展性等优势。因此，科学家们可以在超导量子盘算体系中制备出足够多的物理量子比特，从而满意量子纠错所需的规模化需求；

其次，随着工艺程度的进步和操控本领的提升，超导量子盘算的精确度已经得到显着的提升。如今，超导量子盘算方案中的单量子比特门的错误率已经低于 0.092%，而且双量子比特门的最高保真度都可以凌驾 99%，从而满意量子纠错所需的准确物理量子比特的要求。

正是依附着以上两个优势，超导量子盘算被以为是实现“量子纠错”的抱负平台，而且在“量子纠错”领域中大展技艺。

2019年，谷歌研制出的超导量子盘算芯片“悬铃木（Sycamore）”。

图片泉源：参考文献[3]

相较于上一代的超导量子盘算芯片“悬铃木（Sycamore）”，全新的 Willow 超导量子盘算芯片不但具备了前者的全部优点，更是在量子比特的规模以及性能方面得到了显着的提升。

具体而言，Willow 超导量子盘算芯片具有高达 105 个超导量子比特，这靠近于上一代量子盘算芯片的两倍。更紧张的是，Willow 超导量子盘算芯片中的量子比特错误率得到显着的克制，此中单量子比特门的平均错误率仅有 0.035%，而双量子比特门的平均错误率也只有 0.33%。这意味着，这款全新的量子盘算芯片特别适适用于“量子纠错”，而且有望实现大规模的扩展以走向实际的应用。

研究结果表明，随着超导量子比特数目标增加，Willow 超导量子盘算芯片的运算错误率还呈现出指数级的低落，也就是实现了所谓的“越纠越对”。这标志着，Willow 超导量子盘算芯片是环球首个在增加量子比特数目标同时可以或许低落运算错误率的量子盘算体系，这也被视为“量子纠错”的里程碑变乱。

值得一提的是，就在 2024 年 12 月 17 日，来自中国科学技能大学的研究团队也乐成研制出了全新的“祖冲之三号”超导量子盘算芯片，其研究结果以《Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor（具有 105 个量子比特的祖冲之 3.0 量子处置惩罚器以创建量子盘算优势的新标杆）》为题，已经上传至预印本文库arXiv上。

研究结果表明，“祖冲之三号”超导量子盘算芯片同样也具有高达 105 个超导量子比特，在各种性能指标上与 Willow 超导量子盘算芯片旗鼓相当。现在，该研究团队正在基于“祖冲之三号”超导量子盘算芯片开展干系测试工作，为实现大规模的“量子纠错”和“量子比特操控”铺平门路。

2024年12月，中国科学技能大学的研究团队也乐成研制出了全新的“祖冲之三号”超导量子盘算芯片。图片泉源：中国科大消息网

实在，在量子盘算这个战略领域的国际竞争中，中国力气从未缺席。

早在 2021 年，来自中国科学技能大学的研究团队就研制出早期的国产超导量子盘算芯片“祖冲之号”，而且拥有 62 个超导量子比特，同样也实现了“量子良好性”，这被以为是中国量子盘算发展史的紧张时候。干系研究结果以《Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor（可编程的二维 62 个量子比特超导处置惩罚器上的量子行走）》为题，发表于国际顶尖学术期刊《Science》上。

随后在 2022 年，该研究团队在“祖冲之号”的升级版“祖冲之二号”超导量子盘算芯片上，实现了一种由 17 个量子比特构成的纠错外貌码，初次实现外貌码的重复纠错。这项研究初次证实白超导量子盘算可以使用外貌码举行重复量子纠错的可行性，干系研究结果以《Realization of an Error-Correcting Surface Code with Superconducting Qubits（实现超导量子比特纠错外貌码）》为题，发表于顶尖物理学期刊《Physical Review Letters》上。

而在 2023 年，来自南边科技大学的研究团队在超导量子盘算的“量子纠错”研究中同样取得突破性的盼望。该研究团队接纳及时重复的“量子纠错”方案，延伸了量子信息的存储时间，在国际上初次超越盈亏平衡点，展示了“量子纠错”的巨大实用价值。干系研究结果以《Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit（用离散变量编码的逻辑量子比特来超越盈亏平衡点）》为题，发表于国际顶尖学术期刊《Natue》上。

结语

综上所述，量子盘算作为量子力学与信息科学相连合的交叉领域，是量子力学的最新发展方向之一，被以为是“第二次量子革命”的紧张标志。

当前，量子盘算处于科技攻关和国际竞争的关键节点，具有庞大的科学意义和战略价值，已经吸引了环球主要科技强国的广泛关注，而且涌现出一大批商业科技巨头和顶尖的量子研究机构。此中，以超导量子盘算体系和离子阱量子盘算体系为代表的两大物理实现方案，被科学界以为是实现量子盘算的主流技能路线。可以说，如今正处于“第二次量子革命”的黎明时分，国际竞争不停加剧。