谷歌取得量子计算的第二大里程碑，实现量子计算纠错重大突破！

量子计算领域的新里程碑来了！

谷歌科学家证明，量子计算的错误率可以通过增加量子比特的数量来降低。

研究成果登上了最新一期《Nature》。

结果表明，在72个量子位的超导量子处理器上：

distance-逻辑量子位(基于49个物理量子比特)，每个周期的逻辑错误为2.914%。distance-逻辑量子位(基于17个物理量子比特)，每个周期的逻辑错误为3.028%。

可以发现前者的量子比特多，但错误率降低了。

量子计算纠错是量子计算发展的关键一步。在过去提出的理论方案中，需要引入更多的量子比特，这将增加量子计算错误的来源。

谷歌量子计算部门负责人表示，尽管他们的方法只能稍微降低错误率，但这意味着谷歌已经突破了“平衡点”。

我们需要让它减少更多。

抑制量子误差

量子计算机一直被认为是一种超大规模的计算，可以解决普通计算机无法胜任的问题，比如将大量的整数分解为质数，模拟复杂的化学反应。

但与普通计算机一样，量子计算机容易出现底层物理系统“噪声”造成的错误。

对于普通计算机，存储信息通过比特(可表示0或1)，并将部分信息复制到冗余的“纠错”比特上。当出现错误时，如杂散电子穿过绝缘屏障，或宇宙射线干扰电路，芯片可以自动发现并修复问题。

但量子计算机在量子比特上运行，量子比特可以设置为0、或者同时设置为0和1的任意混合物，例如0和70%的30%。

这意味着量子比特不能被读取，否则它的量子状态就会丢失。因此，量子计算机不能像普通计算机那样简单地将部分信息复制到冗余量子比特上。

理论物理学家提出了一个解决方案：纠正量子误差。

由此产生了逻辑量子比特。它是由物理量子比特组成的集合，它们一起工作以计算。

然后机器可以使用一些物理量子比特来检查逻辑量子比特，并纠正错误。

物理量子比例越多，对错误的抑制就越好。

(量子比特有很多物理实现。在传统计算机使用硅基芯片的地方，量子比特可以由捕获的离子、光子、人造原子或真实原子和准粒子组成)

但量子比特是量子计算错误的来源，增加更多的量子比特意味着错误也可能增加。

因此，必须降低错误的“密度”。

谷歌研究人员提出了一个超导量子比特的表面代码。

表面码是一组量子纠错码。它将逻辑量子比特编码成物理量子比特的d × d平方的联合纠缠状，称为数据量子比特。

逻辑量子位状态由一对反交换逻辑可观测量X和Z?定义，如下图a所示，Sycamore量子计算机原理图为72量子比特。

由25个数据量子比特(黄色)和24个测量量子比特(蓝色)组成，嵌入distance-5的表面编码。

每个测量量子比特和稳定器（stabilizer，蓝色方块)相关，逻辑操作符Z和X?数组遍历，左下角的数据量子比特相交。

右上角的红框象限是四个distance-3表面码的子集之一，与distance-5表面码进行比较。

为了检测错误，将定期测量相邻数据量子比特簇的X和Z奇偶校验。

如图b所示，每个测量量子比特与相邻的数据量子比特相互作用，将联合数据量子位奇偶校验映射到测量子位状态，然后测量子位状态。

每个奇偶校验量或稳定器都与编码量子比特的逻辑观测值和其他稳定器交换。

因此，当奇偶校验测量发生意外变化时，可以检测到错误，不会干扰逻辑量子比特的状态。

谷歌研究人员建造了一个72个量子比特的超导量子处理器，用两种不同的表面码进行了测试。

结果表明，较大的表面代码可以显示出更好的逻辑量子比特性，即错误率较低。红蓝线对比如下：

量子计算到哪一步？

这一成就也被谷歌视为量子优越后的又一重大突破。

根据谷歌自己的“六步”计划，实现量子优势是第一步，降低量子计算错误率是第二步。最后，建立一台由100万个物理量子比特组成的量子计算机，编码1000个逻辑量子比特。

他们说，量子计算的商业价值可以在这一步实现之前实现。

此外，他们还表示，超导量子比特只是构建量子计算机的几种方法之一，但这种方法最有可能成功。但如果发现新的方法更有效，他们会立即调整方向。

我国还对量子计算的发展步骤提出了明确的规划。

中国科学院院士潘建伟提出，量子计算分为三个发展阶段：

在实现量子纠错的基础上，构建可编程通用量子计算机，可应用于量子纠错的组合优化量子化学、机器学习等特定问题

目前，中美加已经实现了量子计算的优势。

潘院士估计需要5-10年才能达到专用量子计算模拟机，这是目前学术界的主要研究任务。

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05434-1

参考链接：https://www.nature.com/articles/d41586-023-00536-w