明敏 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
量子計算領(lǐng)域的新里程碑，來了！
谷歌科學(xué)家證明，通過增加量子比特的數(shù)量，就能降低量子計算的錯誤率。
研究成果登上最新一期《Nature》。
結(jié)果顯示，在72個量子比特的超導(dǎo)量子處理器上：
distance-5邏輯量子比特（基于49個物理量子比特），每周期的邏輯錯誤為2.914%。
distance-3邏輯量子比特（基于17個物理量子比特），每周期的邏輯錯誤為3.028%。
可以發(fā)現(xiàn)前者的量子比特多了，但是錯誤率卻降低了。
要知道，量子計算糾錯是量子計算發(fā)展的關(guān)鍵一步。過去提出的理論方案中，需要引入更多量子比特，這會導(dǎo)致量子計算出錯的源頭增多。
谷歌量子計算部門負責人表示，盡管他們的方法只能將錯誤率降低一點，但這意味著谷歌已經(jīng)突破了“平衡點”。
我們需要讓它降更多。
抑制量子誤差
量子計算機一直被視為可以解決普通計算機所無法勝任的超大規(guī)模計算，如將大量整數(shù)分解為質(zhì)數(shù)、模擬復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)等。
但是和普通計算機一樣，量子計算機很容易出現(xiàn)底層物理系統(tǒng)“噪聲”引起的錯誤。
對于普通計算機，通過比特（可以表示0或1）來存儲信息，并將部分信息復(fù)制到冗余的“糾錯”比特上。當出現(xiàn)錯誤時，比如雜散電子穿過了絕緣屏障，或者宇宙射線干擾了電路，芯片就能自動發(fā)現(xiàn)問題并修復(fù)。
但是，量子計算機是在量子比特上運算，量子比特可以被設(shè)置為0、1，或者同時設(shè)置為0和1的任意混合，比如30%的0和70%的1。
這意味著量子比特不能被讀出，否則它的量子狀態(tài)將會丟失。由此，量子計算機不能像普通計算機那樣，簡單地將部分信息復(fù)制到冗余量子比特上。
理論物理學(xué)家們提出了一種解決辦法：量子誤差糾正。
邏輯量子比特由此而來。它是由物理量子比特組成的集合，它們共同工作以執(zhí)行計算。
然后機器就可以使用一些物理量子比特來檢查邏輯量子比特的情況，并糾正錯誤。
物理量子比特越多，就能越好地抑制錯誤。
（量子比特有許多物理實現(xiàn)，在傳統(tǒng)計算機使用硅基芯片的地方，量子比特可以由捕獲的離子、光子、人造原子或真實原子、準粒子組成）
但量子比特是量子計算出錯的源頭，增加更多量子比特，意味著出現(xiàn)錯誤的可能也會增加。
因此必須要將出錯的“密度”降低。
谷歌研究人員提出了一種具有超導(dǎo)量子比特的表面碼。
表面碼是一組量子糾錯碼。它將邏輯量子比特編碼為物理量子比特的d × d平方的聯(lián)合糾纏態(tài)，稱為數(shù)據(jù)量子比特。
邏輯量子比特狀態(tài)由一對反交換邏輯可觀測量X和Z定義，如下圖a表示，是一個72量子比特的Sycamore量子計算機原理圖。
其中嵌入了distance-5的表面編碼，由25個數(shù)據(jù)量子比特（黃色）和24個測量量子比特（藍色）組成。
每個測量量子比特和一個穩(wěn)定器（stabilizer，藍色方塊）相關(guān)聯(lián)，邏輯運算符Z和X遍歷數(shù)組，在左下角的數(shù)據(jù)量子比特相交。
右上角的紅色框的象限，是4個distance-3表面碼的子集之一，這是和distance-5表面碼作比較的對照。
為了檢測錯誤，會周期性地測量相鄰數(shù)據(jù)量子比特簇的X和Z奇偶校驗。
如圖b所示，每個測量量子比特都和相鄰的數(shù)據(jù)量子比特相互作用，將聯(lián)合數(shù)據(jù)量子比特奇偶校驗映射到測量量子比特狀態(tài)，然后測量量子比特狀態(tài)。
每個奇偶校驗量或穩(wěn)定器，都與編碼的量子比特的邏輯觀測值以及其他穩(wěn)定器交換。
因此，可以在奇偶校驗測量發(fā)生意外變化時檢測到錯誤，并不會干擾邏輯量子比特的狀態(tài)。
通過如上方法，谷歌研究人員建造了一個72個量子比特的超導(dǎo)量子處理器，用兩種不同的表面碼做了測試。
結(jié)果表明，較大表面碼能展現(xiàn)出個更好的邏輯量子比特性能，即錯誤率更低。如下紅藍線對比：
量子計算到哪一步了？
這一成就也被谷歌視為實現(xiàn)量子優(yōu)越后的又一重大突破。
按照谷歌自己的“六步走”規(guī)劃，實現(xiàn)量子優(yōu)勢是第一步，降低量子計算錯誤率是第二步，最終要實現(xiàn)建造一臺由100萬個物理量子比特組成的量子計算機，能編碼1000個邏輯量子比特。
他們表示，等到這一步實現(xiàn)，量子計算的商業(yè)價值也就能實現(xiàn)了。
除此之外，他們還表示超導(dǎo)量子比特只是構(gòu)建量子計算機的幾種方法之一，但這種方法最有可能成功。但如果發(fā)現(xiàn)了新方法更有效，他們會馬上調(diào)整方向。
我國對于量子計算的發(fā)展步驟也提出了明確的規(guī)劃。
中科院院士潘建偉提出，量子計算分為三個發(fā)展階段：
實現(xiàn)量子計算優(yōu)越
實現(xiàn)專用的量子模擬機，可應(yīng)用于組合優(yōu)化量子化學(xué)、機器學(xué)習等特定問題
在實現(xiàn)量子糾錯的基礎(chǔ)上，構(gòu)建可編程通用量子計算機
目前，中美加已實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越。
達到專用的量子計算模擬機，潘院士估計還需5-10年，是當前學(xué)術(shù)界的主要研究任務(wù)。
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05434-1
參考鏈接：
https://www.nature.com/articles/d41586-023-00536-w
