量子計算機有點像圖書管理員：兩者都厭惡噪音。
與傳統的計算機相比，量子計算機非常挑剔，需要一個寧靜的環境才能平靜地進行計算。 但即使是宇宙中最安靜的空間也充斥著量子噪聲——電子和其他原子效應不可避免的運動。 如果物理學家能夠在一個足夠大的量子計算機上抑制由噪聲引起的量子錯誤，他們就可以執行一些計算，例如分子的精確模擬，這些計算對於經典計算機來說是難以處理的。
雖然硬體的改進有所幫助，但必不可少的要素是量子糾錯 (QEC)，這是一套保護資訊免受這種量子嘈雜影響的技術。“我們需要我們的量子位元幾乎完美，而僅靠工程技術無法實現這一點，”谷歌量子計算研究員 Michael Newman 說。
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週一，谷歌在《自然》雜誌上發表了其關於糾錯的最新研究在《自然》雜誌上，並首次表明，隨著量子計算機尺寸的增加，錯誤可以得到指數級抑制。“當你構建一個越來越大的系統時，你在糾正錯誤方面會做得更好，但你也會造成更多錯誤，”馬里蘭大學量子資訊理論家 Daniel Gottesman 說，他沒有參與這項研究。“當你透過這個轉變，即你可以比錯誤產生得更快地糾正錯誤時，構建更大更大的系統才會變得更好。”
谷歌的研究人員建立了一個擁有 105 個量子位元的矽晶片，量子位元是經典位元的量子對應物。 然後，他們連線多個物理量子位元，形成一個稱為邏輯量子位元的集合體。 邏輯量子位元的壽命是其組成的任何單個量子位元的兩倍以上，並且每次計算週期出錯的機率為千分之一。（相比之下，典型經典計算機的錯誤率約為千兆兆兆分之一，基本上為零。）
這些結果最初於 8 月釋出在預印本伺服器 arXiv.org 上，但今天谷歌分享了有關支援這項進展的技術的更多細節：一種名為 Willow 的新型量子處理器（對其以樹木命名的前代產品 Sycamore 的升級）。 “真正好的量子位元是實現量子糾錯的關鍵，”谷歌量子硬體主管兼新論文的合著者 Julian Kelly 說。
谷歌並不是唯一一家在糾錯方面取得進展的公司。 9 月，微軟和量子計算公司 Quantinuum（總部位於科羅拉多州 Broomfield）的研究人員聯合團隊在 arXiv.org 上釋出了結果，表明他們可以使用由雷射捕獲的離子製成的量子位元，編碼 12 個邏輯量子位元，其錯誤率為千分之二。
即使糾錯技術取得了進步，量子計算機的實際應用在短期內也不太可能實現。 估計各不相同，但許多研究人員的共識是，要解決有用的演算法或執行穩健的化學模擬，量子計算機將需要數百個邏輯量子位元，其錯誤率低於百萬分之一左右。
所有噪音
困擾量子計算機的兩種主要錯誤型別：位元翻轉和退相干。 位元翻轉也發生在經典計算機中，它將量子位元從 0 切換到 1，反之亦然。 退相干將量子位元從其脆弱的量子態中拉出來，就像在餡餅準備好之前將其從烤箱中取出一樣。 任何一種錯誤都可能毀掉計算。
經典的糾錯通常透過冗餘來儲存資訊。 如果 Alice 想給 Bob 傳送訊息“1”，她可以傳送三份，將 1 複製兩次以傳輸“111”。 這樣，即使發生位元翻轉——導致“101”——Bob 仍然可以推斷出 Alice 是想傳送“1”。 但是，以這種方式複製資訊是被量子力學定律禁止的。 因此，在 20 世紀 90 年代，研究人員不得不開發用於量子計算機的糾錯技術。“我們必須以這樣一種方式分散資訊，使其具有冗餘性，但又不是副本，”Gottesman 說。 透過將資訊分散為邏輯量子位元，即使一個物理量子位元因錯誤而丟失，也可以保留資訊。
幾十年來，研究人員一直在實施可以檢測和糾正錯誤的程式碼，但直到最近，仍然沒有足夠多的高質量量子位元。 現在，硬體終於達到了值得配備令人印象深刻的軟體的程度。 2022 年，谷歌在其 Sycamore 處理器上使用糾錯技術來降低總體錯誤率。 但該比率仍然低於關鍵閾值，因此向邏輯量子位元新增更多物理量子位元產生的回報遞減。“隨著邏輯量子位元變得越來越大，出現錯誤的機會也更多，”Newman 說，他也是這項新研究以及關於 2022 年結果的預印本論文的合著者。
最新的進展很大程度上歸功於 Willow，它在三個關鍵方面改進了 Sycamore。 首先，Willow 擁有更多的物理量子位元——105 個，而 Sycamore 為 72 個。 更多的物理量子位元意味著更大的邏輯量子位元。“不僅僅是量子位元的數量，”Kelly 說。“一切都必須同時工作。” 透過改進他們的製造工藝，Kelly 和他的同事們能夠提高單個量子位元的質量：Willow 的量子位元比 Sycamore 的更強大：它們保持其脆弱的量子態的時間是 Sycamore 的五倍，並且錯誤率更低。
為了測試糾錯，谷歌研究人員編碼了越來越大的邏輯量子位元：它們最初由 3×3 物理量子位元網格組成，然後由 5×5 網格組成，最後表示為 7×7 網格。 隨著邏輯量子位元的增長，錯誤率急劇下降。“我看到這些數字，心想，‘哦，我的天哪，這真的要奏效了，”Newman 說。
規模感
專家們普遍對谷歌的結果印象深刻。《大眾科學》查閱了四位匿名審稿人的同行評審報告。“我認為這是一項了不起的成就，它讓社群感到興奮，”一位審稿人總結道。另一位審稿人表示贊同，並寫道“這是今年（如果不是十年內）實驗量子資訊領域最重要的成果之一”。
安大略省滑鐵盧大學的量子資訊研究員 Graeme Smith 對結果印象深刻，因為它沒有偷工減料。“專注於糾錯是正確的事情，”他說。“這是一個真正的進步。” 以前的許多糾錯結果都依賴於後選擇，即丟棄充滿錯誤的執行以建立人為降低的錯誤率的做法。
即使有了谷歌的結果，仍然有一些需要注意的地方。 微軟的量子計算研究員 Krysta Svore 指出，根據另一項指標，錯誤率不是千分之一，而是百分之一。 針對這一批評，谷歌的一位發言人表示，“確切的數字……不如隨著規模增加而效能的提高重要。 這才是使之可擴充套件的關鍵。”
所有人似乎都同意的是，最近在糾錯方面的進展是一場變革。“現在絕對令人興奮的是量子糾錯的進展，”Svore 說。 對於 Gottesman 和其他幾十年前幫助開發糾錯理論的人來說，漫長的等待終於結束了。“我們終於看到了這些容錯演示，這真是時候了，”他說。
圍繞量子計算機的炒作一直很大。 在最極端的形式中，它包括聲稱這些裝置將治療癌症或解決氣候變化——甚至他們已經建立了一個蟲洞。 負責任的研究人員經常哀嘆，炒作將導致不合理的過高期望，甚至可能導致“量子寒冬”，屆時資金將枯竭。 最新的糾錯結果揭示了另一個潛在的受害者：真正令人印象深刻的進步——就像這個一樣——可能會被斷然否定。