谷歌的研究人員制造出了一款芯片，使他們能夠展示首個(gè)“低于閾值”的量子計(jì)算——這是構(gòu)建足夠精確的量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵里程碑。

　　這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)于 12 月 9 日發(fā)表在《自然》雜志1 期，表明采用正確的糾錯(cuò)技術(shù)，量子計(jì)算機(jī)在規(guī)模擴(kuò)大后能夠以越來(lái)越高的準(zhǔn)確度執(zhí)行計(jì)算，而且這種改進(jìn)的速度超過(guò)了一個(gè)關(guān)鍵閾值。目前的量子計(jì)算機(jī)對(duì)于大多數(shù)商業(yè)或科學(xué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)太小，而且太容易出錯(cuò)。

　　谷歌揭示量子計(jì)算機(jī)如何擊敗當(dāng)今最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)

　　“這是我們 30 年來(lái)的目標(biāo)，”谷歌總部研究科學(xué)家邁克爾·紐曼 (Michael Newman) 在宣布這一成就的新聞發(fā)布會(huì)上表示。谷歌量子計(jì)算部門首席運(yùn)營(yíng)官 Charina Chou 表示，這一成就意味著到本世紀(jì)末，量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)甚至最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)?！斑@就是我們建造這些東西的初衷，”紐曼補(bǔ)充道。

　　上海中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子物理學(xué)家陸朝陽(yáng)表示：“這項(xiàng)工作表明，這是一個(gè)真正了不起的技術(shù)突破?！?/p>

　　量子計(jì)算機(jī)將信息編碼為可以表示 0 或 1 的狀態(tài)——就像普通計(jì)算機(jī)的比特一樣——但也可以采用多個(gè) 0 和 1 的無(wú)限可能組合。然而，這些量子信息狀態(tài)非常脆弱，谷歌量子硬件部門負(fù)責(zé)人、物理學(xué)家朱利安·凱利 (Julian Kelly) 解釋道。要讓量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行有用的計(jì)算，“你需要量子信息，并且需要保護(hù)它免受環(huán)境的影響——以及我們自己對(duì)它的操作”，他說(shuō)。米樂(lè)m6官網(wǎng)登錄入口

　　為了實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)（沒(méi)有這種保護(hù)，量子計(jì)算就無(wú)法實(shí)現(xiàn)），理論家們從 1995 年開(kāi)始開(kāi)發(fā)巧妙的方案，將一個(gè)量子比特的信息分散到多個(gè)“物理”量子比特上。由此產(chǎn)生的“邏輯量子比特”至少在理論上能夠抵御噪聲。要使這種稱為量子誤差校正的技術(shù)在實(shí)踐中發(fā)揮作用，就必須證明這種將信息分散到多個(gè)量子比特上的方法能夠有效降低錯(cuò)誤率。

　　過(guò)去幾年，包括 IBM 和亞馬遜的 AWS 在內(nèi)的多家公司和學(xué)術(shù)團(tuán)體已經(jīng)證明，糾錯(cuò)可以略微提高準(zhǔn)確性2、3、4 。谷歌在 2023 年初發(fā)布了一項(xiàng)成果，該成果使用了其 Sycamore 量子處理器中的49個(gè)量子比特，該處理器在超導(dǎo)電路中對(duì)每個(gè)物理量子比特進(jìn)行編碼。

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　　該公司的新芯片名為 Willow，是該技術(shù)的更大、改進(jìn)的版本，具有 105 個(gè)物理量子比特。它是在谷歌于 2021 年在加利福尼亞州圣巴巴拉的量子計(jì)算園區(qū)建造的制造實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)的。

　　作為 Willow 強(qiáng)大功能的首次展示，研究人員表示，它可以在大約 5 分鐘內(nèi)完成一項(xiàng)任務(wù)，而這項(xiàng)任務(wù)預(yù)計(jì)需要世界上最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)花費(fèi) 10 25年才能完成，谷歌量子計(jì)算部門負(fù)責(zé)人 Hartmut Neven 說(shuō)道。這是量子計(jì)算機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)的最新體現(xiàn)。米樂(lè)m6官網(wǎng)登錄入口

　　而且，通過(guò)在 Willow 內(nèi)部創(chuàng)建邏輯量子位，谷歌團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，邏輯量子位的大小每次增加都會(huì)將錯(cuò)誤率降低一半。

　　荷蘭代爾夫特理工大學(xué)量子糾錯(cuò)專家 Barbara Terhal 表示：“這是非常令人印象深刻的證明，表明誤差確實(shí)低于閾值?！瘪R薩諸塞州劍橋市哈佛大學(xué)物理學(xué)家 Mikhail Lukin 補(bǔ)充道：“這清楚地表明這個(gè)想法是可行的。”

　　Kelly 表示，該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果還表明，這種改進(jìn)速度是可持續(xù)的，它將使未來(lái)的量子芯片達(dá)到每 1000 萬(wàn)步出現(xiàn)一次錯(cuò)誤的概率。研究人員普遍認(rèn)為，這是使量子計(jì)算機(jī)具有商業(yè)用途的關(guān)鍵準(zhǔn)確度?！凹m錯(cuò)是量子計(jì)算的最終目標(biāo)，”他說(shuō)?！斑@就是每個(gè)人都想使用的量子計(jì)算機(jī)?！?/p>

　　該公司估計(jì)，要實(shí)現(xiàn)如此低的錯(cuò)誤率，每個(gè)邏輯量子比特需要大約 1,000 個(gè)物理量子比特，盡管 Newman 表示，糾錯(cuò)技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)可以降低這一成本，可能低至 200 個(gè)量子比特。IBM 和其他實(shí)驗(yàn)室的研究人員也在需要更少量子比特的方案方面取得了重大進(jìn)展2。這表明量子計(jì)算領(lǐng)域正在到達(dá)一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，Lukin 說(shuō)?！斑@真是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻?！?/p>

　　然而，Terhal 表示，挑戰(zhàn)依然存在。除了構(gòu)建強(qiáng)大的邏輯量子比特，研究人員還需要將許多邏輯量子比特聯(lián)網(wǎng)在一起，以便它們能夠共享和交換量子態(tài)。

　　約翰·普雷斯基爾是帕薩迪納加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家，他參與了量子糾錯(cuò)理論的開(kāi)發(fā)。他說(shuō)，證明糾錯(cuò)方案有助于保存量子比特中的信息是重要的一步，但糾正計(jì)算錯(cuò)誤將更為重要?！拔覀兿ＭM(jìn)行受保護(hù)的量子比特操作，而不僅僅是內(nèi)存，”普雷斯基爾說(shuō)，他也參與了 AWS 量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)。

　　機(jī)構(gòu)編號(hào): https://doi.org/10.1038/d41586-024-04028-3