科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞

盡管量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的研究進(jìn)展突飛猛進(jìn)，但量子計(jì)算機(jī)的“性情”仍不穩(wěn)定，容易出錯(cuò)，尚無法投入實(shí)際應(yīng)用。為此，包括谷歌和IBM等在內(nèi)的眾多公司競(jìng)相開發(fā)量子糾錯(cuò)技術(shù)，旨在為最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的量子計(jì)算系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

他們?nèi)〉玫囊幌盗型黄菩猿晒龑⒘孔蛹m錯(cuò)技術(shù)推向新高度。這些成果不僅彰顯了量子糾錯(cuò)技術(shù)的巨大潛力，也拓寬了量子計(jì)算的邊界。正如英國(guó)劍橋大學(xué)科學(xué)家杰米·維卡里10月1日接受英國(guó)《新科學(xué)家》周刊網(wǎng)站采訪時(shí)所言：突然間，真正有用的量子計(jì)算設(shè)備竟如此“近在咫尺”。

量子糾錯(cuò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用“比特”處理信息，每個(gè)比特只能代表0或1。而量子計(jì)算機(jī)的基本信息處理單元為“量子比特”，它們可以同時(shí)處于0和1的“疊加態(tài)”。這種特性使量子計(jì)算機(jī)能比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快處理某些任務(wù)。

此前數(shù)年，量子計(jì)算機(jī)公司大多追求“以大為美”：不斷增加系統(tǒng)內(nèi)量子比特的數(shù)量，以期打造出更強(qiáng)大的量子計(jì)算設(shè)備。但量子比特極其敏感，容易受到環(huán)境噪聲的影響，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤。

目前，世界上最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)在執(zhí)行量子運(yùn)算時(shí)，最多只能維持幾百次無誤差操作。然而，為了實(shí)現(xiàn)真正的量子優(yōu)勢(shì)——即量子設(shè)備能做到普通設(shè)備做不到的事情，這一數(shù)字必須攀升至百萬次，甚至數(shù)萬億次。有科學(xué)家估計(jì)，要執(zhí)行一個(gè)大規(guī)模具有實(shí)用意義的量子算法，可能需要將量子比特的出錯(cuò)率控制在1×10^-10以下。

《電子工程時(shí)報(bào)》歐洲分部今年5月發(fā)表的一篇文章也指出，現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)通常每進(jìn)行一百次計(jì)算就會(huì)出現(xiàn)一次錯(cuò)誤，即錯(cuò)誤率為10^-2，遠(yuǎn)未達(dá)到當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算機(jī)所實(shí)現(xiàn)的10^-18。

極高的易錯(cuò)性，成為量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)其偉大愿景的最大“攔路虎”，量子糾錯(cuò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

邏輯量子比特糾錯(cuò)效果初顯

多家公司紛紛將注意力投向邏輯量子比特。邏輯量子比特由物理量子比特通過量子糾纏連接而成，它通過將相同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同地方來減少量子計(jì)算機(jī)的錯(cuò)誤。

今年8月，谷歌科學(xué)家發(fā)表論文稱，通過向計(jì)算機(jī)中添加更多物理量子比特來構(gòu)建邏輯量子比特時(shí)，錯(cuò)誤不會(huì)像滾雪球般變得無法控制，而是在達(dá)到某個(gè)閾值后，隨著系統(tǒng)的擴(kuò)大而減少。

研究團(tuán)隊(duì)解釋稱，其中的原理是將信息分散在一組量子比特中，即便其中一個(gè)量子比特出現(xiàn)錯(cuò)誤，另外的物理量子比特仍然可以提供足夠的信息，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。這一結(jié)果為未來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

不過，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的羅伯托·邦代桑指出，谷歌的工作并不涉及真正的量子計(jì)算，但這些量子比特可以作為存儲(chǔ)器使用。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間9月10日，微軟公司也傳出消息。據(jù)其官網(wǎng)報(bào)道，該公司與量子計(jì)算公司Quantinuum成功糾纏了12個(gè)邏輯量子比特，并創(chuàng)造了有史以來最高的計(jì)算保真度。研究團(tuán)隊(duì)還使用邏輯量子比特結(jié)合人工智能以及云端高性能計(jì)算，展示了首個(gè)端到端化學(xué)模擬，解決了實(shí)際化學(xué)難題。

微軟團(tuán)隊(duì)解釋稱，新突破得益于兩個(gè)關(guān)鍵要素：作為硬件的H2離子阱量子計(jì)算機(jī)，以及作為軟件的Azure Quantum量子比特虛擬化平臺(tái)。微軟的量子計(jì)算機(jī)采用一系列磁捕獲的帶電粒子，而非谷歌公司所使用的超導(dǎo)線。這使它能夠采用一種特殊的量子糾錯(cuò)技術(shù)來保護(hù)量子信息——該技術(shù)將物理量子比特排列成一個(gè)四維超立方體幾何結(jié)構(gòu)，從而保護(hù)邏輯量子。

邦代桑強(qiáng)調(diào)，從原理上來講，這種方法能夠使用更少的物理量子比特來編碼更多的邏輯量子比特，因此效率可能更高。

與此同時(shí)，微軟還宣布與原子計(jì)算公司聯(lián)手打造世界上最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，下一步力求實(shí)現(xiàn)1000個(gè)高性能邏輯量子比特。

此外，去年底，來自美國(guó)哈佛大學(xué)、QuEra等的科學(xué)家，在《自然》雜志刊發(fā)論文，展示了他們用中性原子體系研發(fā)的48個(gè)邏輯量子比特的量子計(jì)算原型機(jī)，并展示了對(duì)這些邏輯量子比特的邏輯操作。

玻色編碼糾錯(cuò)成新寵

除構(gòu)建邏輯量子比特外，也有科學(xué)家另辟蹊徑，開發(fā)其他量子糾錯(cuò)技術(shù)。

據(jù)《新科學(xué)家》周刊網(wǎng)站報(bào)道，美國(guó)耶魯大學(xué)的本杰明·布羅克及其同事，測(cè)試了一種名為玻色編碼的糾錯(cuò)技術(shù)。這一方法巧妙地將錯(cuò)誤分布在量子計(jì)算機(jī)的振動(dòng)上。該系統(tǒng)使用了可以取更多值的“高維量子比特”，因此在理論上具有更強(qiáng)大的糾錯(cuò)能力。

緊接著，今年9月，亞馬遜量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)展示了另一種名為“范疇量子比特”的玻色編碼技術(shù)。與谷歌的研究結(jié)果類似，其錯(cuò)誤會(huì)隨著系統(tǒng)的擴(kuò)大而減少。

英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的丹·布朗表示，谷歌和微軟的方法更側(cè)重于主流的、基于量子比特的量子計(jì)算；而耶魯和亞馬遜研究團(tuán)隊(duì)引入的玻色編碼則更新穎，且更具探索性。

此前，谷歌和IBM公司曾聲稱，實(shí)用的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)最早于2029年面世。然而，布朗等人也指出，完全容錯(cuò)的系統(tǒng)可能仍遙不可及，需要科學(xué)家們上下求索。