量子計(jì)算領(lǐng)域的新里程碑，來(lái)了!

谷歌科學(xué)家證明，通過(guò)增加量子比特的數(shù)量，就能降低量子計(jì)算的錯(cuò)誤率。

研究成果登上最新一期《Nature》。

結(jié)果顯示，在72個(gè)量子位的超導(dǎo)量子處理器上：

distance-5邏輯量子位(基于49個(gè)物理量子比特)，每周期的邏輯錯(cuò)誤為2.914%。distance-3邏輯量子位(基于17個(gè)物理量子比特)，每周期的邏輯錯(cuò)誤為3.028%。

可以發(fā)現(xiàn)前者的量子比特多了，但是錯(cuò)誤率卻降低了。

要知道，量子計(jì)算糾錯(cuò)是量子計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵一步。過(guò)去提出的理論方案中，需要引入更多量子比特，這會(huì)導(dǎo)致量子計(jì)算出錯(cuò)的源頭增多。

谷歌量子計(jì)算部門(mén)負(fù)責(zé)人表示，盡管他們的方法只能將錯(cuò)誤率降低一點(diǎn)，但這意味著谷歌已經(jīng)突破了“平衡點(diǎn)”。

我們需要讓它降更多。

抑制量子誤差

量子計(jì)算機(jī)一直被視為可以解決普通計(jì)算機(jī)所無(wú)法勝任的超大規(guī)模計(jì)算，如將大量整數(shù)分解為質(zhì)數(shù)、模擬復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)等。

但是和普通計(jì)算機(jī)一樣，量子計(jì)算機(jī)很容易出現(xiàn)底層物理系統(tǒng)“噪聲”引起的錯(cuò)誤。

對(duì)于普通計(jì)算機(jī)，通過(guò)比特(可以表示0或1)來(lái)存儲(chǔ)信息，并將部分信息復(fù)制到冗余的“糾錯(cuò)”比特上。當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，比如雜散電子穿過(guò)了絕緣屏障，或者宇宙射線干擾了電路，芯片就能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并修復(fù)。

但是，量子計(jì)算機(jī)是在量子比特上運(yùn)算，量子比特可以被設(shè)置為0、1，或者同時(shí)設(shè)置為0和1的任意混合，比如30%的0和70%的1。

這意味著量子比特不能被讀出，否則它的量子狀態(tài)將會(huì)丟失。由此，量子計(jì)算機(jī)不能像普通計(jì)算機(jī)那樣，簡(jiǎn)單地將部分信息復(fù)制到冗余量子比特上。

理論物理學(xué)家們提出了一種解決辦法：量子誤差糾正。

邏輯量子比特由此而來(lái)。它是由物理量子比特組成的集合，它們共同工作以執(zhí)行計(jì)算。

然后機(jī)器就可以使用一些物理量子比特來(lái)檢查邏輯量子比特的情況，并糾正錯(cuò)誤。

物理量子比特越多，就能越好地抑制錯(cuò)誤。

(量子比特有許多物理實(shí)現(xiàn)，在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用硅基芯片的地方，量子比特可以由捕獲的離子、光子、人造原子或真實(shí)原子、準(zhǔn)粒子組成)

但量子比特是量子計(jì)算出錯(cuò)的源頭，增加更多量子比特，意味著出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能也會(huì)增加。

因此必須要將出錯(cuò)的“密度”降低。

谷歌研究人員提出了一種具有超導(dǎo)量子比特的表面碼。

表面碼是一組量子糾錯(cuò)碼。它將邏輯量子比特編碼為物理量子比特的d × d平方的聯(lián)合糾纏態(tài)，稱為數(shù)據(jù)量子比特。

邏輯量子位狀態(tài)由一對(duì)反交換邏輯可觀測(cè)量X?和Z?定義，如下圖a表示，是一個(gè)72量子比特的Sycamore量子計(jì)算機(jī)原理圖。

其中嵌入了distance-5的表面編碼，由25個(gè)數(shù)據(jù)量子比特(黃色)和24個(gè)測(cè)量量子比特(藍(lán)色)組成。

每個(gè)測(cè)量量子比特和一個(gè)穩(wěn)定器(stabilizer，藍(lán)色方塊)相關(guān)聯(lián)，邏輯運(yùn)算符Z?和X?遍歷數(shù)組，在左下角的數(shù)據(jù)量子比特相交。

右上角的紅色框的象限，是4個(gè)distance-3表面碼的子集之一，這是和distance-5表面碼作比較的對(duì)照。

為了檢測(cè)錯(cuò)誤，會(huì)周期性地測(cè)量相鄰數(shù)據(jù)量子比特簇的X和Z奇偶校驗(yàn)。

如圖b所示，每個(gè)測(cè)量量子比特都和相鄰的數(shù)據(jù)量子比特相互作用，將聯(lián)合數(shù)據(jù)量子位奇偶校驗(yàn)映射到測(cè)量量子位狀態(tài)，然后測(cè)量量子位狀態(tài)。

每個(gè)奇偶校驗(yàn)量或穩(wěn)定器，都與編碼的量子比特的邏輯觀測(cè)值以及其他穩(wěn)定器交換。

因此，可以在奇偶校驗(yàn)測(cè)量發(fā)生意外變化時(shí)檢測(cè)到錯(cuò)誤，并不會(huì)干擾邏輯量子比特的狀態(tài)。

通過(guò)如上方法，谷歌研究人員建造了一個(gè)72個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子處理器，用兩種不同的表面碼做了測(cè)試。

結(jié)果表明，較大表面碼能展現(xiàn)出個(gè)更好的邏輯量子比特性能，即錯(cuò)誤率更低。如下紅藍(lán)線對(duì)比：

量子計(jì)算到哪一步了?

這一成就也被谷歌視為實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越后的又一重大突破。

按照谷歌自己的“六步走”規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)是第一步，降低量子計(jì)算錯(cuò)誤率是第二步，最終要實(shí)現(xiàn)建造一臺(tái)由100萬(wàn)個(gè)物理量子比特組成的量子計(jì)算機(jī)，能編碼1000個(gè)邏輯量子比特。

他們表示，等到這一步實(shí)現(xiàn)，量子計(jì)算的商業(yè)價(jià)值也就能實(shí)現(xiàn)了。

除此之外，他們還表示超導(dǎo)量子比特只是構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的幾種方法之一，但這種方法最有可能成功。但如果發(fā)現(xiàn)了新方法更有效，他們會(huì)馬上調(diào)整方向。

我國(guó)對(duì)于量子計(jì)算的發(fā)展步驟也提出了明確的規(guī)劃。

中科院院士潘建偉提出，量子計(jì)算分為三個(gè)發(fā)展階段：

實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越實(shí)現(xiàn)專用的量子模擬機(jī)，可應(yīng)用于組合優(yōu)化量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問(wèn)題在實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建可編程通用量子計(jì)算機(jī)

目前，中美加已實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越。

達(dá)到專用的量子計(jì)算模擬機(jī)，潘院士估計(jì)還需5-10年，是當(dāng)前學(xué)術(shù)界的主要研究任務(wù)。