近日，谷歌量子 AI 团队公布其量子纠错新进展，他们所构建的名义码纠错大幅裁减了额外率，使得逻辑量子比特寿命高于物理量子比特91porn app，权贵延伸了量子信息的存储寿命。这项在量子工程范围具有里程碑兴味的责任阐发，谷歌团队依然在量子谋略机竞赛中占据开始地位。
撰文 | 生动
四年前，我曾翻译过一篇发表于 Science 上的驳倒著述《量子谋略的下一个超等大挑战》，这个超等大挑战恰是量子纠错。彼时巧合谷歌量子 AI 团队（Google Quantum AI）刚刚完成“量子霸权”的演示，激励巨匠和蔼。四年来，巨匠多个量子谋略的顶级团队在向这一超等挑战发起冲击，而谷歌量子 AI 团队，无疑是其中的前锋队。
欧美性爱区最近，谷歌团队在 arXiv 上贴出了他们的最新恶果：低于名义码阈值的量子纠错（Quantum error correction below the surface code threshold）[1]。他们在一派包含 105 个量子比特的芯片中收尾了码距为 7（d=7）的名义码纠错，同期在一派 72 量子比特芯片中收尾了码距为 5（d=5）的名义码纠错过甚实时解码。两种情况下均特出纠错的“盈亏均衡点”，也即是编码后的逻辑量子比特中的信息存储寿命，高于悉数参与编码的物理量子比特的寿命。
具体来说，码距为 7 的逻辑量子比特寿命达到了 291 微秒，而悉数参与编码的量子比特平均寿命为 85 微秒，最高 119 微秒。折算下来，量子纠错让量子信息的存储寿命延伸了 2.4 倍。这是一项非凡了不得的工程终结，大幅擢升了名义码量子纠错的工程可行性，为未来收尾具备实用价值的逻辑量子比特注入了弘远的信心。我以为这一责任的兴味，不亚于以前的“量子霸权”，以致也不亚于 2023 年中性原子体系中所获得的量子纠错恶果。底下我就尝试西宾一下这一里程碑兴味的进展，以及背后的一些本事旨趣。
现实中的量子比特，或者叫物理量子比特，老是会因为多样原因而出错，比如难熬其妙飞过的光子、材料中的某个残障，以致可能是来自远方天地深处的一束天地射线。额外会在进行量子谋略的过程中积蓄、传递，导致最终的终结不可用。例如来说，当前的两比特纠缠门额外率在百分之几到千分之几的水平：假定量子门的平均额外率为千分之一，那推行 5000 个量子门，得到正确谜底的概率将低于百分之一；推行 10000 个门，正确的概率将低至十万分之几；推行 20000 个门，这个概率将低于亿分之一（这是一个非凡粗陋的估算，实际的额外积蓄、传递和关联的情况要复杂得多，正确率将以更快的速率衰减）。这将大幅对消量子谋略所能带来的加快才智，令其威力无法瓦解。
量子纠错表面的出现，让咱们再行燃起了但愿。应用冗余的量子比特，以某种时势将它们编码在一谈，不错会诊出那里出错了。若是额外富裕“寥落”，同期又有某些技能实时阅兵出错的比特，咱们就能够收尾量子纠错 —— 得到盼望的、不会出错的量子比特，上头说的额外积蓄也就不会出现，咱们总能得到正确的谋略终结。
由于这种纠错编码的量子比特的信息并不是存储在某个或某些具体的物理量子比特上，而所以一种纠缠敛迹的、详细的形势存在，因此咱们将其称为“逻辑量子比特”。早在上世纪末，量子纠错的表面就开动发展：最早的纠错码由 Shor 和 Steane 孤立建议，接下来 Calderbank、Shor 和 Steane 又共同给出了纠错的一般性表面，即驰名的 CSS 码，奠定了量子纠错的基础。随后的一个进犯进展是相识子（stabilizer）意见的建议，为这一范围提供了全新的洞奋勉，后续好多灵验的量子纠错码齐是基于这一意见发展的，包括驰名的名义码。这也恰是谷歌量子 AI 团队一直坚抓承袭的本事。
名义码属于更广义的“拓扑码”中的一种，这一编码眷属的基本计划理念，是将多个肖似的纠错单元“拼接”起来，这种模块化的计划样式使得拓扑码具有雅致的可推广性，相宜工程化收尾的条款。名义码只需要相近耦合，对额外率的阈值条款，或者说“门槛”相比低，尽管其编码效率不高，但已成为当前最具工程收尾价值的编码样式之一，特别妥贴于超导量子芯片。
名义码的额外率阈值条款大要在百分之一的水平，这次谷歌量子 AI 团队所用到的两块芯片，单比特门的额外率达到了万分之五的水平，两比特门达到了千分之四，读取（探伤）额外率则达到了千分之八的水平。不外，关于复杂的量子系统，这些单一的标的仍是很难描画系统的举座额外情况，正如前边说的，真正的额外比简便的额外积蓄要复杂得多。因此，谷歌团队又引入了一种更妥贴描画名义码额外情况的“权重-4 探伤概率”（就手脚是另一种抒发系统额外的“标的”）。关于 d=7 的体系，这个值是 8.7%。这标明团队在量子芯片的加工方面有了权贵的擢升，细节当然不会公开，不外他们提到这归功于“能隙剪裁（Gap-engineering）”本事的应用。无论如何，关于百比特范畴的量子谋略芯片而言，这仍是代表了顶级水平。
还有几个亮点值得提一下，一个是实时解码本事。名义码量子纠错需要握住地制备相识子，对补助量子比特进行测量并重置，然后再肖似这一过程。在这个过程中，咱们需要对测量终结进行解码，以保抓对额外症候的跟踪，并在需要对逻辑量子比特进行操作时实时阅兵额外。明白，实时解码关于实用的容错量子谋略是必要的，不外对解码器的性能也建议了极为尖刻的条款。特别是超导量子体系，因为门推行的速率太快了，上述一个周期将在 1 微秒傍边完成，这意味着需要在相通的时安分完成解码。恰是这个原因，过往的量子纠错实验，一般是将测量数据先存起来，之后用一个离线解码器科罚。这次谷歌团队初次在 d=5 的纠错历程中收尾了永劫分的一语气实时解码，在一百万个周期下，解码器的平均延时为 63 微秒，莫得弘扬出延时随周期数妥当增长的情况，标明解码器能够跟上纠错码的推行节拍 —— 大要是每周期 1.1 微秒。实时解码器会带来一定的性能下落，不外仍能保抓一个 2 倍以上的额外扼制悉数。团队并莫得在 d=7 的纠错码中应用实时解码本事，标明其中的挑战性短长常大的。未来如安在更大码距的纠错码中收尾实时解码，将一直是一个极富挑战的本事贫窭。
另一个亮点是团队为了试探系统的额外率配景极限，测试了码距为 29 的“肖似码”—— 它不错看作名义码的一维情况，它不成同期侦测悉数的 Pauli 额外（指额外不错显露为 Pauli 矩阵的线性组合；例如来说，量子态绕 X 或 Z 轴翻转了 180 度），只可侦测比特翻转或相位翻转中的一种。测试终结标明，在码距达到梗概 25 之后，逻辑额外率就饱和了，大要为百亿分之一（10-10）的水平。团队发现这一配景额外率来源于梗概每小时发生一次的不解来源的关联额外。而在之前的芯片上，这个额外率配景是百万分之一，团队以为这是由于大要几十秒一次的高能事件，也即是天地射线轰击芯片所导致的。因此，这有可能成为未来量子纠错本事的一个新课题。
一言以蔽之，这是一个非凡了不得的责任，谷歌再次阐发了他们顶级的量子谋略工程本事才智。作为同业，我既感到情愿，也感到忧虑。感到情愿，是因为这是朝容错通用量子谋略迈出的进犯一步，是无数目子工程本事的系统性越过，让全寰宇看到了更多的但愿。感到忧虑，则是站在国度角度，这有可能意味着在量子谋略范围中好意思之间的差距在无形中拉大。要知谈，谷歌仅是好意思国量子谋略的顶级团队之一，IBM、麻省理工学院等相通具备类似的才智。在当前的阶段，这种才智常常表当前系统工程方面，而非科知识题。咱们以谷歌、IBM 等团队作为本事标杆，却少有想考他们是如何组织，如何权衡与融合工程本事与科知识题之间的关系，如何让优秀的工程师与科学家协同攻关，等等。从这篇论文的作家结构来看，这是一项大型的工程合作典范，除了谷歌量子 AI 团队，还有 DeepMind 团队、马萨诸塞大学、加州大学圣巴巴拉分校、康涅狄格大学、奥本大学、苏黎世联邦理工学院、耶鲁大学、麻省理工学院等共 13 家单元 / 团队，参与东谈主数特出 200 东谈主。这么的大范畴合作，在中国要如何发生呢？若是咱们不滚动想维，遵守打造工程导向、企业化组织的新式团队；若是咱们迟迟莫得具有大胸宇、领有顶级呐喊力的科学家站出来；若是咱们的科技激励机制仍以数著述，拼 Nature、Science 为中枢导向；若是…… 有时还有好多若是；再叠加上西洋抓续对咱们的东谈主才和本事限度，在量子谋略工程方面，咱们可能很难破局。
咱们需要勇气，咱们需要定力，咱们更需要相助。我自不胜，唯愿有真国士出，领一批优秀的工程师，和各地超卓的科学家，向实用量子谋略踔厉前行，走出坚实的中国法子。
跋文：就在稿子裁剪的这几天（9 月 10 日），微软蓝天量子（Microsoft Azure Quantum）团队初次在催化反馈手性分子模拟中，演示了“端到端”的高性能谋略（HPC）、量子谋略和东谈主工智能组合 [2]。在量子谋略部分，他们承袭了 C4 码纠错保护的逻辑量子比特来进行基态制备，而不是物理量子比特。可见量子纠错将快速成为量子谋略工程本事的主战场，而我国的量子谋略工程才智急需擢升以应答这些竞争。
参考文件
[1] https://doi.org/10.48550/arXiv.2408.13687
[2] https://arxiv.org/pdf/2409.05835
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