1995年，俄羅斯物理學(xué)家阿列克謝·基塔耶夫聽到了量子計(jì)算的重大理論突破的報(bào)告。前一年，美國應(yīng)用數(shù)學(xué)家彼得·肖爾設(shè)計(jì)了一個(gè)量子算法，可以將大數(shù)分解成它們的質(zhì)因數(shù)?；驘o法獲得肖爾論文的副本，所以他從頭開始自己設(shè)計(jì)了一個(gè)版本——結(jié)果比肖爾的更通用。普雷斯基爾對這個(gè)結(jié)果感到興奮，并邀請基塔耶夫訪問他在加州理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)。

俄羅斯物理學(xué)家阿列克謝·基塔耶夫

基塔耶夫首次提出了一個(gè)有希望的理論方法，稱為量子糾錯(cuò)的表面碼。

1997年春天的短暫訪問成果非凡?；蚋嬖V普雷斯基爾他一直在追求的兩個(gè)新想法：一種“拓?fù)洹绷孔佑?jì)算方法，根本不需要主動糾錯(cuò)，以及基于類似數(shù)學(xué)的量子糾錯(cuò)碼。起初，他不認(rèn)為那個(gè)代碼對量子計(jì)算有用。普雷斯基爾更加樂觀，并說服基塔耶夫，他最初想法的輕微變化值得追求。

這個(gè)變化就是表面碼，基于兩個(gè)重疊的物理量子比特網(wǎng)格。第一個(gè)網(wǎng)格中的是“數(shù)據(jù)”量子比特，這些共同編碼一個(gè)單一的邏輯量子比特。第二個(gè)網(wǎng)格中的是“測量”量子比特，這些允許研究人員間接地尋找錯(cuò)誤，而不會干擾計(jì)算。

表面碼有很多優(yōu)勢。其錯(cuò)誤檢查方案比競爭的量子碼簡單得多。它還只涉及相鄰量子比特之間的相互作用。2006年，兩位研究人員展示了優(yōu)化版本的代碼錯(cuò)誤閾值約為1%，是早期量子碼閾值的100倍，也就是對錯(cuò)誤率寬容了100倍。

雖然通過足夠巧妙的工程手段，科學(xué)家預(yù)計(jì)最終能夠?qū)⑽锢砹孔颖忍氐腻e(cuò)誤率降低到0.1%，遠(yuǎn)低于表面碼的閾值，但建造一臺全尺寸量子計(jì)算機(jī)并不容易。粗略估計(jì)表明，實(shí)際應(yīng)用肖爾的因數(shù)分解算法需要數(shù)萬億次操作。任何一個(gè)未校正的錯(cuò)誤都會破壞整個(gè)計(jì)算。因此，需要將每個(gè)邏輯量子比特的錯(cuò)誤率降低到遠(yuǎn)低于一萬億分之一。每個(gè)邏輯量子比特可能需要數(shù)千個(gè)物理量子比特。如此巨大的物理量子比特需求就太嚇人了。

谷歌團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了多年時(shí)間改進(jìn)他們的量子比特設(shè)計(jì)和制造過程，他們采用超導(dǎo)量子比特，這是由超導(dǎo)金屬在硅芯片上制成的微小電路，一個(gè)單獨(dú)的芯片可以容納許多排列成網(wǎng)格的量子比特，這正是表面碼所要求的布局。

構(gòu)建單個(gè)物理量子比特，其錯(cuò)誤率低于表面碼閾值，這并不難，關(guān)鍵是看看這些量子比特是否能夠協(xié)同工作，制造出一個(gè)比部分之和更好的邏輯量子比特。也就是擴(kuò)展代碼時(shí)，通過使用更大的物理量子比特網(wǎng)格區(qū)域來編碼邏輯量子比特，錯(cuò)誤率會降低。

從可能的最小表面碼開始，這叫“距離3”碼，使用3乘3的物理量子比特網(wǎng)格來編碼一個(gè)邏輯量子比特（另外還有八個(gè)量子比特用于測量，總共17個(gè)）。向上升級是距離5的表面碼，總共有49個(gè)量子比特。（只有奇數(shù)的碼距離才有用。）

在2023年的一篇論文中，團(tuán)隊(duì)報(bào)告說，距離5碼的錯(cuò)誤率比距離3碼略低。在2024年初，他們有了一塊全新的72量子比特芯片，代號為Willow，進(jìn)行測試。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，距離5碼的錯(cuò)誤率不是比距離3碼略低，而是降低了50%，代碼距離的一步提升將邏輯量子比特的錯(cuò)誤率減半。

但是距離7碼需要97個(gè)量子比特，超過了他們芯片上的總數(shù)。直到今年八月，一批新的105量子比特Willow芯片問世。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，從距離5碼到距離7碼再次將邏輯量子比特的錯(cuò)誤率減半。

前路漫漫，“緊迫性非常強(qiáng)”

這個(gè)結(jié)果當(dāng)然令量子計(jì)算研究人員興奮不已。與此同時(shí)，研究人員認(rèn)識到他們還有很長的路要走。谷歌團(tuán)隊(duì)目前只展示了使用單個(gè)邏輯量子比特的錯(cuò)誤校正。在多個(gè)邏輯量子比特之間添加交互將帶來新的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。

還有擴(kuò)展的問題。為了使錯(cuò)誤率足夠低以進(jìn)行有用的量子計(jì)算，研究人員需要進(jìn)一步提高他們的物理量子比特。他們還需要制造出比距離7碼更大的邏輯量子比特。最后，他們需要將這些邏輯量子比特組合起來——超過100萬個(gè)物理量子比特。

當(dāng)然，量子計(jì)算仍處于起步階段，也許還會有替代的技術(shù)出現(xiàn)。

Aaronson在博客里的一條留言回復(fù)中說得好（此君精力旺盛，帶好幾個(gè)博士生，還帶著他的幾個(gè)孩子，每天下筆千行，這篇最新的博文還和讀者聊起了敘利亞局勢）：

如果有人認(rèn)為我們即將獲得個(gè)人QC（注：量子計(jì)算機(jī)），這將加快我們所做的一切，則需要告訴他們“QC 時(shí)代”還沒有到來（事實(shí)上，可能永遠(yuǎn)不會到來）。另一方面，如果有人認(rèn)為QC完全是騙局或誤解，并且量子糾錯(cuò)在現(xiàn)實(shí)世界中永遠(yuǎn)行不通，那么他們需要被告知“QC 時(shí)代”已經(jīng)到來。

谷歌的成果也激勵(lì)了中國國內(nèi)的同行。

中關(guān)村量子科技孵化器總經(jīng)理、量子產(chǎn)業(yè)平臺“光子盒”創(chuàng)始人顧成建告訴心智觀察所：

過去一兩年國內(nèi)外都在“卷”量子比特?cái)?shù)，如果不解決糾錯(cuò)平衡點(diǎn)問題，比特?cái)?shù)越多理論上運(yùn)算結(jié)果錯(cuò)誤越多。谷歌這次首次突破量子糾錯(cuò)閾值，Willow能夠以指數(shù)級減少錯(cuò)誤！這解決了量子糾錯(cuò)領(lǐng)域近30年來一直追求的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。這層窗戶紙的捅破，為大家對量子計(jì)算的研發(fā)進(jìn)程大大提升了信心，未來的想象空間很大很樂觀，雖然其展示的隨機(jī)電路采樣（RCS）基準(zhǔn)計(jì)算問題仍然不是一個(gè)有實(shí)際意義的問題，但未來在密碼破解和物理世界模擬表征上，如醫(yī)藥、新材料研發(fā)，樂觀估計(jì)可能三五年內(nèi)就會有實(shí)際應(yīng)用出來，已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界對谷歌的反應(yīng)是普遍感到“緊迫性非常強(qiáng)”，也覺得谷歌帶來了方向感和信心，證明這條路是走得下去的。具體到國內(nèi)，此前百度、阿里撤出量子計(jì)算研究，一度引發(fā)關(guān)注，不過國內(nèi)的主要研究力量還是在體制內(nèi)，以國家實(shí)驗(yàn)室牽頭，北京量子院、深圳量子院在人力和投入上都在穩(wěn)定提升，勢頭良好，聽說海外也有好幾個(gè)團(tuán)隊(duì)打算回國來做。如果和經(jīng)典計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)史比較，谷歌這次突破，可以類比1947年人類晶體管的發(fā)明，取代真空管的歷史性時(shí)刻，未來的3-5年內(nèi)，我們將不斷見證量子計(jì)算的爆炸性時(shí)刻。

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