量子计算机有点像图书管理员：两者都厌恶噪音。
与传统的计算机相比，量子计算机非常挑剔，需要一个宁静的环境才能平静地进行计算。 但即使是宇宙中最安静的空间也充斥着量子噪声——电子和其他原子效应不可避免的运动。 如果物理学家能够在一个足够大的量子计算机上抑制由噪声引起的量子错误，他们就可以执行一些计算，例如分子的精确模拟，这些计算对于经典计算机来说是难以处理的。
虽然硬件的改进有所帮助，但必不可少的要素是量子纠错 (QEC)，这是一套保护信息免受这种量子嘈杂影响的技术。“我们需要我们的量子比特几乎完美，而仅靠工程技术无法实现这一点，”谷歌量子计算研究员 Michael Newman 说。
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周一，谷歌在《自然》杂志上发表了其关于纠错的最新研究在《自然》杂志上，并首次表明，随着量子计算机尺寸的增加，错误可以得到指数级抑制。“当你构建一个越来越大的系统时，你在纠正错误方面会做得更好，但你也会造成更多错误，”马里兰大学量子信息理论家 Daniel Gottesman 说，他没有参与这项研究。“当你通过这个转变，即你可以比错误产生得更快地纠正错误时，构建更大更大的系统才会变得更好。”
谷歌的研究人员创建了一个拥有 105 个量子比特的硅芯片，量子比特是经典比特的量子对应物。 然后，他们连接多个物理量子比特，形成一个称为逻辑量子比特的集合体。 逻辑量子比特的寿命是其组成的任何单个量子比特的两倍以上，并且每次计算周期出错的概率为千分之一。（相比之下，典型经典计算机的错误率约为千兆兆兆分之一，基本上为零。）
这些结果最初于 8 月发布在预印本服务器 arXiv.org 上，但今天谷歌分享了有关支持这项进展的技术的更多细节：一种名为 Willow 的新型量子处理器（对其以树木命名的前代产品 Sycamore 的升级）。 “真正好的量子比特是实现量子纠错的关键，”谷歌量子硬件主管兼新论文的合著者 Julian Kelly 说。
谷歌并不是唯一一家在纠错方面取得进展的公司。 9 月，微软和量子计算公司 Quantinuum（总部位于科罗拉多州 Broomfield）的研究人员联合团队在 arXiv.org 上发布了结果，表明他们可以使用由激光捕获的离子制成的量子比特，编码 12 个逻辑量子比特，其错误率为千分之二。
即使纠错技术取得了进步，量子计算机的实际应用在短期内也不太可能实现。 估计各不相同，但许多研究人员的共识是，要解决有用的算法或执行稳健的化学模拟，量子计算机将需要数百个逻辑量子比特，其错误率低于百万分之一左右。
所有噪音
困扰量子计算机的两种主要错误类型：比特翻转和退相干。 比特翻转也发生在经典计算机中，它将量子比特从 0 切换到 1，反之亦然。 退相干将量子比特从其脆弱的量子态中拉出来，就像在馅饼准备好之前将其从烤箱中取出一样。 任何一种错误都可能毁掉计算。
经典的纠错通常通过冗余来保存信息。 如果 Alice 想给 Bob 发送消息“1”，她可以发送三份，将 1 复制两次以传输“111”。 这样，即使发生比特翻转——导致“101”——Bob 仍然可以推断出 Alice 是想发送“1”。 但是，以这种方式复制信息是被量子力学定律禁止的。 因此，在 20 世纪 90 年代，研究人员不得不开发用于量子计算机的纠错技术。“我们必须以这样一种方式分散信息，使其具有冗余性，但又不是副本，”Gottesman 说。 通过将信息分散为逻辑量子比特，即使一个物理量子比特因错误而丢失，也可以保留信息。
几十年来，研究人员一直在实施可以检测和纠正错误的代码，但直到最近，仍然没有足够多的高质量量子比特。 现在，硬件终于达到了值得配备令人印象深刻的软件的程度。 2022 年，谷歌在其 Sycamore 处理器上使用纠错技术来降低总体错误率。 但该比率仍然低于关键阈值，因此向逻辑量子比特添加更多物理量子比特产生的回报递减。“随着逻辑量子比特变得越来越大，出现错误的机会也更多，”Newman 说，他也是这项新研究以及关于 2022 年结果的预印本论文的合著者。
最新的进展很大程度上归功于 Willow，它在三个关键方面改进了 Sycamore。 首先，Willow 拥有更多的物理量子比特——105 个，而 Sycamore 为 72 个。 更多的物理量子比特意味着更大的逻辑量子比特。“不仅仅是量子比特的数量，”Kelly 说。“一切都必须同时工作。” 通过改进他们的制造工艺，Kelly 和他的同事们能够提高单个量子比特的质量：Willow 的量子比特比 Sycamore 的更强大：它们保持其脆弱的量子态的时间是 Sycamore 的五倍，并且错误率更低。
为了测试纠错，谷歌研究人员编码了越来越大的逻辑量子比特：它们最初由 3×3 物理量子比特网格组成，然后由 5×5 网格组成，最后表示为 7×7 网格。 随着逻辑量子比特的增长，错误率急剧下降。“我看到这些数字，心想，‘哦，我的天哪，这真的要奏效了，”Newman 说。
规模感
专家们普遍对谷歌的结果印象深刻。《大众科学》查阅了四位匿名审稿人的同行评审报告。“我认为这是一项了不起的成就，它让社区感到兴奋，”一位审稿人总结道。另一位审稿人表示赞同，并写道“这是今年（如果不是十年内）实验量子信息领域最重要的成果之一”。
安大略省滑铁卢大学的量子信息研究员 Graeme Smith 对结果印象深刻，因为它没有偷工减料。“专注于纠错是正确的事情，”他说。“这是一个真正的进步。” 以前的许多纠错结果都依赖于后选择，即丢弃充满错误的运行以创建人为降低的错误率的做法。
即使有了谷歌的结果，仍然有一些需要注意的地方。 微软的量子计算研究员 Krysta Svore 指出，根据另一项指标，错误率不是千分之一，而是百分之一。 针对这一批评，谷歌的一位发言人表示，“确切的数字……不如随着规模增加而性能的提高重要。 这才是使之可扩展的关键。”
所有人似乎都同意的是，最近在纠错方面的进展是一场变革。“现在绝对令人兴奋的是量子纠错的进展，”Svore 说。 对于 Gottesman 和其他几十年前帮助开发纠错理论的人来说，漫长的等待终于结束了。“我们终于看到了这些容错演示，这真是时候了，”他说。
围绕量子计算机的炒作一直很大。 在最极端的形式中，它包括声称这些设备将治疗癌症或解决气候变化——甚至他们已经创建了一个虫洞。 负责任的研究人员经常哀叹，炒作将导致不合理的过高期望，甚至可能导致“量子寒冬”，届时资金将枯竭。 最新的纠错结果揭示了另一个潜在的受害者：真正令人印象深刻的进步——就像这个一样——可能会被断然否定。