谷歌的物理学家们在通往实用量子计算机的道路上达到了他们所谓的第二个里程碑。在加利福尼亚州圣巴巴拉的一个实验室里，他们证明，通过扩大量子代码，他们可以降低计算的错误率。
这项成果于2月22日在《自然》杂志上报道，是对2019年一项著名的实验的后续研究，在那次实验中，谷歌量子计算机实现了“量子优势”——通过执行一项在普通计算机上需要花费数千年才能完成的计算。
如果量子计算机要实现其解决经典计算机无法解决的问题的承诺——例如将大的整数分解为质数，或理解化学催化剂的详细行为，那么纠错是不可避免的要求。
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“谷歌的成就令人印象深刻，因为使用大型代码规模获得更好的性能非常困难，”荷兰代尔夫特理工大学专门研究量子纠错的理论物理学家芭芭拉·特哈尔说。谷歌研究人员承认，改进仍然很小，错误率还需要大幅下降。“它下降了一点；我们需要它大幅下降，”谷歌总部位于加利福尼亚州山景城的量子计算部门负责人哈特穆特·内文在新闻发布会上说。
纠正错误
所有计算机都容易出错。普通计算机芯片将信息存储在比特（可以表示 0 或 1）中，并将部分信息复制到冗余的“纠错”比特中。当错误发生时——例如，由于杂散电子穿过不完善的绝缘屏障，或者宇宙射线粒子干扰电路——芯片可以自动发现问题并修复它。
“在量子信息中，我们不能这样做，”谷歌量子硬件主管朱利安·凯利在新闻发布会上说。量子计算机基于称为量子比特的量子态，量子比特可以存在于“0”和“1”状态的混合中。量子比特无法在不完全丢失其量子态的情况下被读取出来，这意味着其信息不能简单地复制到冗余量子比特上。
但是，理论学家已经开发出精细的“量子纠错”方案来解决这个问题。这些方案通常依赖于将一个量子比特的信息——称为逻辑量子比特——编码到一组物理量子比特而不是单个量子比特中。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的健康状况并纠正任何错误。物理量子比特越多，它们抑制错误的能力就越强。“使用多个量子比特进行量子纠错的优势在于它可以扩展，”特哈尔说。
但是，添加更多物理量子比特也会增加其中两个量子比特同时受到错误影响的可能性。为了解决这个问题，谷歌研究人员执行了两个版本的量子纠错程序。一个使用 17 个量子比特，能够一次从一个错误中恢复。一个更大的版本使用了 49 个量子比特，可以从两个同时发生的错误中恢复，并且性能比小版本略好。“目前的改进非常小，而且尚不能保证使用更大的代码会带来更好的性能，”特哈尔说。
新加坡地平线量子的物理学家乔·菲茨西蒙斯说，各个实验室在有效纠错方面取得了重大进展，谷歌的最新成果具有许多必需的特性。但是，量子比特还需要存储信息足够长的时间，以便计算机执行计算，而谷歌的团队尚未实现这一壮举。“为了令人信服地演示可扩展的纠错，我们希望看到寿命的提高”，随着系统的扩展，菲茨西蒙斯说。
谷歌为自己设定了量子计算路线图，包含六个关键里程碑。量子优势是第一个，最新的结果是第二个。第六个里程碑是由一百万个物理量子比特组成的机器，编码 1,000 个逻辑量子比特。“在那个阶段，我们可以自信地承诺商业价值，”内文说。
超导量子比特只是构建量子计算机的几种方法之一，内文说，谷歌仍然认为它最有机会成功。“如果非常清楚另一种方法能让我们更快地获得有用的量子计算机，我们会立即转向。”
本文经许可转载，并于 2023 年 2 月 22 日首次发表。