多种纠错技术“护驾”量子计算

原标题：多种纠错技术“护驾”量子计算

IBM公司的量子计算机展示模型。图片来源：英国《新科学家》杂志网站

尽管量子计算机领域的研究进展突飞猛进，但量子计算机的“性情”仍不稳定，容易出错，尚无法投入实际应用。为此，包括谷歌和IBM等在内的众多公司竞相开发量子纠错技术，旨在为最终实现稳定可靠的量子计算系统奠定基础。

他们取得的一系列突破性成果，正将量子纠错技术推向新高度。这些成果不仅彰显了量子纠错技术的巨大潜力，也拓宽了量子计算的边界。正如英国剑桥大学科学家杰米·维卡里10月1日接受英国《新科学家》周刊网站采访时所言：突然间，真正有用的量子计算设备竟如此“近在咫尺”。

量子纠错技术应运而生

传统计算机使用“比特”处理信息，每个比特只能代表0或1。而量子计算机的基本信息处理单元为“量子比特”，它们可以同时处于0和1的“叠加态”。这种特性使量子计算机能比传统计算机更快处理某些任务。

此前数年，量子计算机公司大多追求“以大为美”：不断增加系统内量子比特的数量，以期打造出更强大的量子计算设备。但量子比特极其敏感，容易受到环境噪声的影响，从而出现错误。

目前，世界上最先进的量子计算机在执行量子运算时，最多只能维持几百次无误差操作。然而，为了实现真正的量子优势——即量子设备能做到普通设备做不到的事情，这一数字必须攀升至百万次，甚至数万亿次。有科学家估计，要执行一个大规模具有实用意义的量子算法，可能需要将量子比特的出错率控制在1×10-10以下。

《电子工程时报》欧洲分部今年5月发表的一篇文章也指出，现有量子计算机通常每进行一百次计算就会出现一次错误，即错误率为10-2，远未达到当前经典计算机所实现的10-18。

极高的易错性，成为量子计算实现其伟大愿景的最大“拦路虎”，量子纠错技术应运而生。

逻辑量子比特纠错效果初显

多家公司纷纷将注意力投向逻辑量子比特。逻辑量子比特由物理量子比特通过量子纠缠连接而成，它通过将相同数据存储在不同地方来减少量子计算机的错误。

今年8月，谷歌科学家发表论文称，通过向计算机中添加更多物理量子比特来构建逻辑量子比特时，错误不会像滚雪球般变得无法控制，而是在达到某个阈值后，随着系统的扩大而减少。

研究团队解释称，其中的原理是将信息分散在一组量子比特中，即便其中一个量子比特出现错误，另外的物理量子比特仍然可以提供足够的信息，保证计算结果的准确性。这一结果为未来实现大规模容错量子计算奠定了坚实的基础。

不过，英国帝国理工学院的罗伯托·邦代桑指出，谷歌的工作并不涉及真正的量子计算，但这些量子比特可以作为存储器使用。

当地时间9月10日，微软公司也传出消息。据其官网报道，该公司与量子计算公司Quantinuum成功纠缠了12个逻辑量子比特，并创造了有史以来最高的计算保真度。研究团队还使用逻辑量子比特结合人工智能以及云端高性能计算，展示了首个端到端化学模拟，解决了实际化学难题。

微软团队解释称，新突破得益于两个关键要素：作为硬件的H2离子阱量子计算机，以及作为软件的Azure Quantum量子比特虚拟化平台。微软的量子计算机采用一系列磁捕获的带电粒子，而非谷歌公司所使用的超导线。这使它能够采用一种特殊的量子纠错技术来保护量子信息——该技术将物理量子比特排列成一个四维超立方体几何结构，从而保护逻辑量子。

邦代桑强调，从原理上来讲，这种方法能够使用更少的物理量子比特来编码更多的逻辑量子比特，因此效率可能更高。

与此同时，微软还宣布与原子计算公司联手打造世界上最强大的计算机，下一步力求实现1000个高性能逻辑量子比特。

此外，去年底，来自美国哈佛大学、QuEra等的科学家，在《自然》杂志刊发论文，展示了他们用中性原子体系研发的48个逻辑量子比特的量子计算原型机，并展示了对这些逻辑量子比特的逻辑操作。

玻色编码纠错成新宠

除构建逻辑量子比特外，也有科学家另辟蹊径，开发其他量子纠错技术。

据《新科学家》周刊网站报道，美国耶鲁大学的本杰明·布罗克及其同事，测试了一种名为玻色编码的纠错技术。这一方法巧妙地将错误分布在量子计算机的振动上。该系统使用了可以取更多值的“高维量子比特”，因此在理论上具有更强大的纠错能力。

紧接着，今年9月，亚马逊量子计算团队展示了另一种名为“范畴量子比特”的玻色编码技术。与谷歌的研究结果类似，其错误会随着系统的扩大而减少。

英国伦敦大学学院的丹·布朗表示，谷歌和微软的方法更侧重于主流的、基于量子比特的量子计算；而耶鲁和亚马逊研究团队引入的玻色编码则更新颖，且更具探索性。

此前，谷歌和IBM公司曾声称，实用的容错量子计算机最早于2029年面世。然而，布朗等人也指出，完全容错的系统可能仍遥不可及，需要科学家们上下求索。（记者 刘 霞）