Google量子計算機的新突破，有多重要？

眾所周知，量子計算機在許多領域（比如藥物發現和密碼學）都有令人矚目的潛力。然而，建造量子計算機所面臨的一個重大挑戰在於，量子計算機的基本組件——量子比特——極易受到外界的干擾，導致計算結果出現錯誤。而隨著量子比特數量的增加，出錯的可能性也會增加。如果沒有有效的糾錯方法，就會導致整個系統變得像經典計算機一樣，無法發揮量子計算的優勢。

現在，在一篇新發表於《自然》雜誌的研究中，Google量子人工智能團隊的研究人員報告稱，他們開發了一個能使量子計算機的性能發生質的飛躍的超導量子處理器——Willow。這項研究表明，通過先進的量子糾錯技術，量子計算機可以隨著規模的擴大而以越來越高的精度執行計算。

越大越精確

傳統計算機芯片以比特（0或1）的形式儲存信息，而量子計算機的量子比特能夠同時處於「0和1」的疊加狀態。然而，這種狀態極為脆弱，容易受到外界干擾的影響，從而導致計算錯誤。因此，若要使量子計算機有效地執行計算，我們必須對這些量子信息進行保護。

為了實現這種保護，相關領域的研究人員一直在尋找巧妙的解決方案：他們試圖將一個量子比特的信息分佈到多個「物理」量子比特上，由此產生具有「抗噪」能力的「邏輯量子比特」。具體來說，糾錯的基本思想是讓許多的物理量子比特一起工作，來編碼單個的邏輯量子比特。一個邏輯量子比特的信息不是存儲在單個的物理量子比特中，而是分佈在多個物理量子比特的糾纏態上。

這種糾錯方法的難點在於，要如何在不引入額外的錯誤的前提下，識別脆弱的量子態中的錯誤。為此，研究人員發展出了可用於糾正量子比特在二維平面排列中的錯誤的「表面碼」方法。

在表面碼量子計算中，每個由n × n個量子比特組成的晶格叫做表面碼，每個表面碼代表一個單獨的邏輯量子比特。表面碼晶格越大，它能夠容忍的錯誤就越多。預期隨著晶格規模的增大，邏輯量子比特將得到更好的保護，邏輯量子比特的性能也會隨之提升。

表面碼邏輯量子比特的大小不斷增加，每個量子比特都能夠比上一個糾正更多的錯誤。編碼的量子態存儲在數據量子比特晶格（黃色）上。測量量子比特（紅色、青色、藍色）能檢測相鄰數據量子比特上的錯誤。（圖/Google Quantum AI）

但有一個微妙之處：晶格變大也會帶來更多的出錯機會。如果物理量子比特的錯誤率太高，那麼這些額外的錯誤會淹沒糾錯機制，使得晶格的增大反而降低了處理器的性能。相反，如果物理量子比特的錯誤率足夠低，糾錯機制就能有效彌補這些額外的錯誤。事實上，隨著量子比特的增加，編碼後的錯誤率會呈指數級下降。

決定這兩種情況的臨界錯誤率，被稱為閾值——當錯誤率低於這個閾值時，量子糾錯就能從有害轉變為有益。

邏輯量子比特的運作方式：將數據量子比特（金色）初始化為已知狀態，並進行重覆的可以突顯錯誤（紅色、紫色、藍色、綠色）的奇偶校驗。最後，對數據量子比特進行測量，並解碼測量數據，從而得到糾錯後的邏輯測量。（圖/Google Quantum AI）

Willow：抵達閾值

近30年來，「低於閾值」一直是糾錯量子計算的目標。然而，儘管在設備製造、校準和量子比特設計方面取得了重要進展後，量子計算機依然未能跨越這一關鍵里程碑。直到最新的105個量子比特超導處理器——Willow的問世。它在許多指標上展現了先進的性能，標誌著量子硬件的一次重大飛躍。它實現了兩項主要成就。

首先，Willow首次展示了隨著表面碼大小的增加，錯誤抑制呈指數級增長。每當晶格從3×3增加到5×5，再到7×7時，編碼錯誤率就會以2.14的倍率降低。最終，形成的邏輯量子比特的壽命超過其最佳物理量子比特的兩倍，證明了糾錯量子比特能夠超越其物理組件的能力。

邏輯量子比特的性能隨表面碼大小而縮放。從3×3（紅）增長到5×5（青）再到7×7（藍）時，邏輯錯誤概率大幅下降。 Willow上的7×7邏輯量子比特的壽命是其最佳物理量子比特（綠）的兩倍，是之前懸鈴木的表面碼（灰、黑）的20倍。（圖/Google Quantum AI）

第二，Willow可以在大約5分鐘內，完成世界上最快的超級計算機估計需要10²⁵年才能完成的計算任務。這個令人難以置信的數字超出了物理學已知的時間尺度，也遠遠超過了宇宙的年齡。

展望未來

一旦超過閾值，設備中的微小改進就會通過量子糾錯呈指數級放大。例如，雖然Willow中的操作保真度大約是懸鈴木的兩倍，但編碼錯誤率卻大約是懸鈴木的20倍。基於這種快速改進，研究人員預計，未來與糾錯量子計算機相關的一些問題將變得越來越重要。他們認為，這種改進速度是可持續的，它將使未來的量子芯片達到每1000萬次操作中出現1次錯誤的頻率。這種精度水平對於在實踐中使用量子計算機至關重要。

參考來源：

https://research.google/blog/making-quantum-error-correction-work/

https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/

https://www.nature.com/articles/d41586-024-04028-3

https://physics.aps.org/articles/v17/176