量子计算机向遏制错误迈出关键一步

2023年2月，谷歌研究人员宣布，一项旨在攻克量子计算机固有误差难题的技术方案，已向实用化目标更进一步。与传统计算机中只能被设定为 0 或 1 的比特不同，量子计算机采用的量子比特（qubit） 可同时处于 0 和 1 两种状态。但量子比特的特性极不稳定，为保护单个量子比特存储的信息，一种常用策略是将其分散编码到多个量子比特中。此次谷歌团队证实，随着承载信息的物理量子比特数量不断增加，系统的误差率会随之降低。这种 “规模化扩展” 技术，是谷歌实现核心目标的关键一步 —— 计划通过将 1 个 “逻辑量子比特” 的信息编码到 1000 个物理量子比特上，实现信息的长期稳定存储。

“这是一次意义重大的概念验证演示。” 柏林自由大学理论物理学家约施卡・罗菲评价道，他并未参与该实验。不过他也指出，尽管实现了规模化扩展，谷歌所构建的逻辑量子比特，其稳定性仍未超越底层的物理量子比特。

一台成熟的量子计算机，有望完成传统计算机难以企及的特定任务，例如破解当前主流的互联网加密体系。量子比特的载体种类丰富，离子、光子、原子等都可作为制备材料。谷歌所采用的量子比特，是由超导金属制成的微型电路：电路的低能态代表 0，高能态代表 1。通过微波调控，可使电路处于单一能态，或是同时处于两种能态。但外界干扰（如噪声）极易破坏这种叠加态，其存续时间通常仅有 20 微秒，远远不足以支撑复杂量子算法的运行。

为增强量子比特的稳定性，谷歌工程师借鉴了 1940 年初代计算机的纠错思路。早期传统计算机同样受噪声困扰，比特信息可能会从 0 被翻转成 1，反之亦然。当时的解决办法是将 1 个比特的信息复制到另外 2 个比特上 —— 噪声同时翻转 3 个比特的概率会大幅降低；即便有 1 个比特发生翻转，计算机也可通过对比 3 个比特的状态，定位出异常比特。

但量子力学定律限制了这种方法在量子计算机中的直接应用：我们既无法将 1 个量子比特的状态精准复制到其他量子比特上，对处于叠加态的量子比特进行测量，也会使其瞬间 “坍缩” 为 0 或 1 中的某一种状态。量子纠错技术因此需要更精妙的变通方案：它不会直接测量量子比特的信息，同时摒弃简单复制的思路，转而利用量子纠缠效应，扩展原始量子比特的状态。

举个例子：假设有 1 个处于 0 和 1 叠加态的量子比特，通过量子纠缠，可将另外 2 个量子比特纳入系统，形成一个特殊的量子叠加态 ——3 个量子比特同时为 0，且同时为 1（即 “000 和 111” 叠加态）。这个新状态所承载的信息与原始量子比特完全一致，由此便构成了 1 个逻辑量子比特。此时，若 3 个数据量子比特中的第 2 个发生状态翻转，整个系统的状态会变为 “010 和 101” 叠加态。为检测这类翻转，研究人员会在第 1 与第 2、第 2 与第 3 个数据量子比特之间，分别引入额外的辅助量子比特并形成纠缠。通过测量这些辅助量子比特的状态，就能定位出原始 3 个数据量子比特中发生翻转的那个，而整个过程中无需对数据量子比特进行任何测量。理论上，研究人员可据此将翻转的量子比特恢复至初始状态。

此次，谷歌量子人工智能团队验证了一个核心结论：当逻辑量子比特的信息分散到更多物理量子比特上时，纠错方案的性能会显著提升。研究团队采用一块 72 量子比特芯片，通过两种方式对 1 个逻辑量子比特进行编码：一种是基于 17 量子比特的网格结构（包含 9 个数据量子比特和 8 个辅助量子比特），另一种是基于 49 量子比特的网格结构（包含 25 个数据量子比特和 24 个辅助量子比特）。研究人员对两种网格结构分别开展了 25 轮测量实验，全程追踪量子比特的翻转情况。谷歌量子硬件部门主管、物理学家朱利安・凯利表示，实验中并未对翻转的量子比特进行纠错，仅需记录其状态变化，即可验证方案的有效性。

经过 25 轮测量后，研究人员直接对数据量子比特进行测量，以此检验辅助量子比特是否精准记录了所有翻转事件。如果出现未被记录的翻转，就意味着系统丢失了逻辑量子比特的信息。团队在《自然》期刊中公布实验数据：在多次重复实验中，采用较小网格结构时，逻辑量子比特每轮的信息丢失概率为 3.028%；采用较大网格结构时，这一概率降至 2.914%。显然，随着物理量子比特数量的增加，系统误差率出现了小幅下降。

这样的数值或许难以令人眼前一亮 —— 因为单个物理量子比特的误差率反而更低。但凯利强调，相比逻辑量子比特当前的稳定性，规模化扩展的可行性更为关键。“实现高效扩展，才是这项技术的核心突破口。” 不过要达成谷歌的终极目标 —— 将 1 个逻辑量子比特编码到 1000 个物理量子比特上，并将误差率降至 0.0001%，现有扩展方案的效率还需提升 20 倍。

加州大学戴维斯分校数学家格雷格・库珀伯格指出，在量子纠错领域，谷歌的实验并非孤例。量子计算公司 Quantinuum 利用离子量子比特开展实验，所构建的逻辑量子比特稳定性已超越底层物理量子比特；耶鲁大学的物理学家则通过混合超导量子比特与光子，也实现了这一目标。但库珀伯格同时提到，离子量子比特系统的规模化扩展难度较大，而耶鲁大学的实验方案与谷歌的研究属于不同技术路线，二者不具备直接可比性。

尽管如此，库珀伯格仍给予高度评价：“这些研究成果表明，物理学家有望利用性能并不完美的物理量子比特，构建出性能远超前者的逻辑量子比特。在我看来，这正是当前量子计算领域最重要的里程碑。”