谷歌量子计算机的新突破，有多重要？

众所周知，量子计算机在许多领域（比如药物发现和密码学）都有令人瞩目的潜力。然而，建造量子计算机所面临的一个重大挑战在于，量子计算机的基本组件——量子比特——极易受到外界的干扰，导致计算结果出现错误。而随着量子比特数量的增加，出错的可能性也会增加。如果没有有效的纠错方法，就会导致整个系统变得像经典计算机一样，无法发挥量子计算的优势。

现在，在一篇新发表于《自然》杂志的研究中，谷歌量子人工智能团队的研究人员报告称，他们开发了一个能使量子计算机的性能发生质的飞跃的超导量子处理器——Willow。这项研究表明，通过先进的量子纠错技术，量子计算机可以随着规模的扩大而以越来越高的精度执行计算。

越大越精确 

传统计算机芯片以比特（0或1）的形式储存信息，而量子计算机的量子比特能够同时处于“0和1”的叠加状态。然而，这种状态极为脆弱，容易受到外界干扰的影响，从而导致计算错误。因此，若要使量子计算机有效地执行计算，我们必须对这些量子信息进行保护。

为了实现这种保护，相关领域的研究人员一直在寻找巧妙的解决方案：他们试图将一个量子比特的信息分布到多个“物理”量子比特上，由此产生具有“抗噪”能力的“逻辑量子比特”。具体来说，纠错的基本思想是让许多的物理量子比特一起工作，来编码单个的逻辑量子比特。一个逻辑量子比特的信息不是存储在单个的物理量子比特中，而是分布在多个物理量子比特的纠缠态上。

这种纠错方法的难点在于，要如何在不引入额外的错误的前提下，识别脆弱的量子态中的错误。为此，研究人员发展出了可用于纠正量子比特在二维平面排列中的错误的“表面码”方法。

在表面码量子计算中，每个由n × n个量子比特组成的晶格叫做表面码，每个表面码代表一个单独的逻辑量子比特。表面码晶格越大，它能够容忍的错误就越多。预期随着晶格规模的增大，逻辑量子比特将得到更好的保护，逻辑量子比特的性能也会随之提升。

表面码逻辑量子比特的大小不断增加，每个量子比特都能够比上一个纠正更多的错误。编码的量子态存储在数据量子比特晶格（黄色）上。测量量子比特（红色、青色、蓝色）能检测相邻数据量子比特上的错误。（图/Google Quantum AI）

但有一个微妙之处：晶格变大也会带来更多的出错机会。如果物理量子比特的错误率太高，那么这些额外的错误会淹没纠错机制，使得晶格的增大反而降低了处理器的性能。相反，如果物理量子比特的错误率足够低，纠错机制就能有效弥补这些额外的错误。事实上，随着量子比特的增加，编码后的错误率会呈指数级下降。

决定这两种情况的临界错误率，被称为阈值——当错误率低于这个阈值时，量子纠错就能从有害转变为有益。

逻辑量子比特的运作方式：将数据量子比特（金色）初始化为已知状态，并进行重复的可以突显错误（红色、紫色、蓝色、绿色）的奇偶校验。最后，对数据量子比特进行测量，并解码测量数据，从而得到纠错后的逻辑测量。（图/Google Quantum AI）

Willow：抵达阈值  

近30年来，“低于阈值”一直是纠错量子计算的目标。然而，尽管在设备制造、校准和量子比特设计方面取得了重要进展后，量子计算机依然未能跨越这一关键里程碑。直到最新的105个量子比特超导处理器——Willow的问世。它在许多指标上展现了先进的性能，标志着量子硬件的一次重大飞跃。它实现了两项主要成就。

首先，Willow首次展示了随着表面码大小的增加，错误抑制呈指数级增长。每当晶格从3x3增加到5x5，再到7x7时，编码错误率就会以2.14的倍率降低。最终，形成的逻辑量子比特的寿命超过其最佳物理量子比特的两倍，证明了纠错量子比特能够超越其物理组件的能力。

逻辑量子比特的性能随表面码大小而缩放。从3x3（红）增长到5x5（青）再到7x7（蓝）时，逻辑错误概率大幅下降。 Willow上的7x7逻辑量子比特的寿命是其最佳物理量子比特（绿）的两倍，是之前悬铃木的表面码（灰、黑）的20倍。（图/Google Quantum AI）

第二，Willow可以在大约5分钟内，完成世界上最快的超级计算机估计需要10²⁵年才能完成的计算任务。这个令人难以置信的数字超出了物理学已知的时间尺度，也远远超过了宇宙的年龄。

展望未来  

一旦超过阈值，设备中的微小改进就会通过量子纠错呈指数级放大。例如，虽然Willow中的操作保真度大约是悬铃木的两倍，但编码错误率却大约是悬铃木的20倍。基于这种快速改进，研究人员预计，未来与纠错量子计算机相关的一些问题将变得越来越重要。他们认为，这种改进速度是可持续的，它将使未来的量子芯片达到每1000万次操作中出现1次错误的频率。这种精度水平对于在实践中使用量子计算机至关重要。

参考来源：

https://research.google/blog/making-quantum-error-correction-work/

https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/

https://www.nature.com/articles/d41586-024-04028-3

https://physics.aps.org/articles/v17/176

https://www.quantamagazine.org/quantum-computers-cross-critical-error-threshold-20241209/

本文来自微信公众号：原理，作者：小雨