國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature》發(fā)布的最新論文報(bào)道了量子計(jì)算的最新進(jìn)展：谷歌的一個(gè)實(shí)驗(yàn)演示或?yàn)榭蓴U(kuò)展容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)鋪平道路。

該結(jié)果之所以令人振奮，是因?yàn)樗鼈儽砻髁孔蛹m錯(cuò)可以成功將錯(cuò)誤率控制在一定范圍內(nèi)。雖然這個(gè)錯(cuò)誤率還沒(méi)達(dá)到實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)潛力的閾值，但本文的結(jié)果表明，谷歌的量子“懸鈴木”架構(gòu)或已逼近這一閾值。

該論文題為《Exponential suppression of bit or phase errors with cyclic error correction》（通過(guò)循環(huán)糾錯(cuò)對(duì)比特誤差或相位誤差進(jìn)行指數(shù)抑制），于北京時(shí)間7月14日發(fā)表于Nature，通訊作者為谷歌量子AI實(shí)驗(yàn)室研究科學(xué)家Julian Kelly。在該實(shí)驗(yàn)中，谷歌AI設(shè)計(jì)的量子處理器“懸鈴木”（Sycamore）實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤抑制的指數(shù)增長(zhǎng)。

2019年9月，谷歌公司宣布研制出53個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，對(duì)某一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題的計(jì)算只需200秒，而當(dāng)時(shí)世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂峰”（Summit）需要2天，因此谷歌在全球首次實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。

量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣，很容易出現(xiàn)由底層物理系統(tǒng)“噪聲”引起的錯(cuò)誤，一種解決辦法是在計(jì)算機(jī)操作中加入一種能在錯(cuò)誤出現(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正這些錯(cuò)誤的方法。

使用量子糾錯(cuò)碼是一種量子糾錯(cuò)方法，利用多個(gè)物理比特（量子信息的單位，對(duì)應(yīng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的比特）代表一個(gè)邏輯比特，從而在不破壞邏輯量子比特中存儲(chǔ)信息的情況下，發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤。（比如，約定100、001和010都代表邏輯比特“0”，011、101、110都是代表邏輯比特“1”。若單個(gè)物理比特發(fā)生翻轉(zhuǎn)的概率是X，那么邏輯比特翻轉(zhuǎn)的概率是X3，遠(yuǎn)小于X。）

該文章指出，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的潛力需要保持邏輯錯(cuò)誤率在很低的水平，許多應(yīng)用都要求錯(cuò)誤率低至 10^-15，但目前最先進(jìn)的量子平臺(tái)的物理錯(cuò)誤率通常接近 10^-3。

研究了懸鈴木處理器的量子糾錯(cuò)能力，懸鈴木包含一個(gè)54超導(dǎo)量子比特的二維陣列。他們運(yùn)行了兩種量子糾錯(cuò)碼：一種是最多由21個(gè)量子比特組成的一維鏈重復(fù)碼，用來(lái)測(cè)試錯(cuò)誤抑制能力；另一種是由7個(gè)量子比特組成的二維表面碼，作為與更大碼的設(shè)置相容性的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

其研究表明，將重復(fù)碼基于的量子比特?cái)?shù)量從5個(gè)提高到21個(gè)，對(duì)邏輯錯(cuò)誤的抑制實(shí)現(xiàn)了最多100倍的指數(shù)增長(zhǎng)。這種錯(cuò)誤抑制能力在50次糾錯(cuò)實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)穩(wěn)定。文章結(jié)論稱，這些實(shí)驗(yàn)演示為構(gòu)建具有超導(dǎo)量子比特的可擴(kuò)展容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。不過(guò)，在實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子糾錯(cuò)的道路上仍然存在許多挑戰(zhàn)。研究者指出了達(dá)到表面碼(surface code)閾值所需的顯著研究方向：減少測(cè)量和重置期間的 CZ 門(mén)誤差和數(shù)據(jù)量子比特（data qubit）誤差。達(dá)到這個(gè)門(mén)檻將是量子計(jì)算的一個(gè)重要里程碑。

然而，實(shí)用量子計(jì)算需要Λ≈ 10來(lái)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)奈锢?邏輯量子比特比：1000:1。實(shí)現(xiàn)Λ≈10需要大幅降低操作錯(cuò)誤率，并進(jìn)一步研究減少錯(cuò)誤的機(jī)制，如高能粒子。