谷歌达成实用量子计算机第二个里程碑，通过更多量子位降低量子计算的错误率

所有计算机都存在出错的可能性。因此，对其进行纠错或尽可能地降低错误率，是相关研究人员和工程师们孜孜不倦探索和解决的问题。

对于普通的计算机芯片来说，由于其以只能表示 0 或 1 的位（Bit）来存储信息，并能够将一些信息复制到冗余的“纠错”位中，因此当错误发生时，芯片可以发现并自动解决问题，这一般也被解释为纠错技术。

不过，量子计算机却无法做到这一点，因为其计算原理使用的是，可以同时以 0 和 1 的叠加状态存在的量子比特，所以如果量子比特的全量子态以一种不可恢复的形式丢失，就无法顺利地读出信息，这意味着它的信息不能被简单地复制到冗余的量子比特上。

但是，要想让量子计算机攻克经典计算机无法解决的问题，比如理解化学催化剂的反应过程、将大部分整数分解为素数，纠错技术是必不可少的关键一环。

基于此，科学家们开发了量子纠错的方案，通过在多个物理量子位上对信息进行编码，来构建能够保护信息的逻辑量子位。并且，物理量子位的数量越多，出现错误的几率也就越低，其优势体现在具有可伸缩性。

其中，需要说明的是，对更多物理量子位的增加，也会增加这样一种可能性，即其中两个量子位同时出现错误。因此，要想进一步提高逻辑性能，错误密度必须足够低。

为了解决这个问题，量子 AI 团队（Google Quantum AI）的研究人员使用包含 72 个量子位的芯片，采用如下两种方式，对单个逻辑量子位进行了编码。

一种是使用了 17 个量子位，包括 9 个数据和 8 个辅助量子位，能够一次从一个错误中恢复；另一种是使用了 49 个量子位，包括 25 个数据和 24 个辅助量子位，能够从两个同时发生的错误中恢复，并且从性能上看后者比前者要略胜一筹。

研究人员对这两种系统进行了 25 个周期的测量，来寻找逻辑翻转的量子比特。量子硬件总监朱利安·凯利（Julian Kelly）表示：“研究人员只是跟踪它们，而不是纠正它们，这足以完成实验。”

25 个周期之后，他们对数据量子位进行了直接测量，以查看所有逻辑翻转情况或观察是否有更多翻转的辅助量子位已经潜入，这说明机器失去了对于逻辑量子位的跟踪。

实验结果显示，在前一个系统中，每个周期丢失逻辑量子比特的概率为 3.028%，后一个系统每周期丢失逻辑量子比特的概率为 2.914%。结果表明，随着物理量子位数的增加，错误率是在下降的，尽管下降的幅度比较小。

2023 年 2 月 22 日，相关论文成果以《通过缩放表面编码逻辑量子位来抑制量子误差》（Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit）为题发表在 Nature 上[1]。

图丨相关论文（来源：Nature）

“我们的突破代表着我们在操作计算机方面的重大转变。”的 CEO桑达尔·皮查伊（）表示，“我们不是在量子处理器上逐个处理物理量子位，而是将一组量子位视为一个逻辑量子位。”

理论物理学家芭芭拉·特哈尔（Barbara Terhal）来自荷兰代尔夫特理工大学，她专注于对量子纠错的研究。在她看来，“成就令人印象深刻，因为在大代码规模下很难获得更好的性能”。

“这是第一次有人实现了缩放逻辑量子位的实验里程碑。”表示，“我们一直在朝着这一里程碑向未来努力，因为量子计算机有潜力为数百万人的生活带来实实在在的好处。”

据悉，为自己构建了一个大规模的“量子计算机路线图”，其中共包括六个关键性的里程碑。

第一个里程碑是其在三年前设计出的一台量子计算机，它的计算速度远远大于世界上最快的超级计算机，能实现用 200 秒完成后者需要1万年才能完成的计算任务。

而本次取得的最新突破，则被看作是第二个里程碑。

希望最终能够开发出一台由 100 万个物理量子比特组成的机器，能够编码 1000 个逻辑量子比特，也期待量子计算机能与经典计算机协同工作的未来。

同时，也相信，在未来的某天，量子计算机不仅可以用于物理学研究，还可以帮助科研人员完成从电池到核聚变反应堆等更高效的可持续技术的研发，以及识别新药分子的发现等。“这些研究将为我们带来无法想象的进步。”说。

综上，量子计算机的发展和进步，有利于扩展人类知识的边界，帮助我们找到解决世界上存在的一些最复杂问题的方法。

支持：张智

参考资料：

1.Google Quantum AI. Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit. Nature 614, 676–681 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05434-1

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

https://www.science.org/content/article/quantum-computers-take-key-step-toward-curbing-errors

https://blog.google/inside-google/message-ceo/our-progress-toward-quantum-error-correction/