Nature 杂志 7 月 14 日刊登了谷歌量子 AI 团队的关于量子计算的最新论文。
就在 2019 年的 10 月底，谷歌量子 AI 团队在 Nature 杂志上刊登的论文称，谷歌量子计算机实现了量子优越性，甚至已经实现了量子霸权，证明了量子计算机可以在特定计算任务上超过经典计算机。
谷歌在量子计算机的投入非常积极。 2013 年，谷歌与 NASA 及大学空间研究协会合作，设立了谷歌量子 AI 实验室。
（来源：谷歌）
纠错是普通计算机或传统计算机的标准功能，这些计算机使用两种状态位来存储数据：0 和 1。如果数据从 0 变为 1，或者从 1 变为 0，发送额外的奇偶校验位就会发出警告，这意味着计算机可以发现并修正这些错误。
由于每个量子比特的混合状态都以 0 和 1 存在，尝试测量它们都会直接破坏数据。一个理论解决方案是把众多的物理量子位聚集成一个逻辑量子位。虽然目前已经创建了类似的逻辑量子位，但是至今它们还没有被用于实际纠错。
谷歌量子 AI 团队的朱利安・凯利 (Julian Kelly) 和他的同事在谷歌的 Sycamore 量子计算机上演示了这一概念。
Sycamore 量子计算机的逻辑量子位大小从 5 到 21 个物理量子位不等，他们的研究发现，每增加一个物理量子位，逻辑量子位错误率就会呈指数级下降。研究小组能够仔细测量额外的量子位，并在综合测量时仍然能提供足够的信息来推断是否发生了错误。
凯利说，这意味着在未来创造实用、可靠的量子计算机是可能的。他说：“这基本上是我们在这个道路上迈出的第一步。这是一种实现大规模、容错计算机的可行方法。这是我们未来想要制造的设备的一种展望。”
虽然在概念上这种解决方案已经成功，但是实际中仍然存在巨大的挑战。由于每个量子位本身就非常容易出错，所以如果在每个逻辑量子位上增添更多的量子位，这就会出现问题。逻辑量子位遇到错误的几率随着其内部量子位数量的增加而增加。
在这个过程中有一个平衡点，即所谓的阈值，在这个阈值下，错误校正特性捕捉到的问题比量子位的增加带来的问题更多。
但是谷歌的纠错还没有达到阈值。如果想要达到阈值，就需要更少的干扰物理量子位，以及更少的错误，并将更多的量子位应用于每个逻辑量子位。
该团队认为，成熟的量子计算机中每个逻辑量子位需要 1000 个量子位 —— 但 Sycamore 量子计算机目前只有 54 个物理量子位。
伦敦帝国理工学院的彼得・奈特 (Peter Knight) 表示，“谷歌的研究正在朝着未来量子计算机所必需的方向迈进。如果我们不能做到这一点，我们就不会有一个大规模的计算机。
我很高兴他们做到了这一点，因为如果没有这个进步，人们仍然无法确定通向容错的路线图是否可行。” 但他表示，要真正达到阈值而且建立纠错机制将是一个非常大的挑战，如果要达到这个目的则需要更多量子位的处理器。
柏林自由大学的一位理论物理学家约施卡·罗夫（Joschka Roffe）说，“谷歌研究人员展示了完全纠错的触觉距离”。
通过研究多达 11 个数据量子位的链，谷歌研究人员现在能够在一段时间内保留一个逻辑量子位，这个时间随着物理量子位的数量呈指数增长。通过将单个量子位的状态分布到多达 11 个数据量子位上，他们将 50 微秒后出错的几率从 40% 降低到 0.2%。
谷歌的物理学家、该论文的资深作者朱利安·凯利（Julian Kelly）说，其他研究小组也展示了类似的误差修正方案，但这项新工作是第一个证明误差指数已制的研究。这样的指数抑制意味着开发者最终可能通过将逻辑量子位分布在 1000 个物理量子位上，从而无限期地维持一个逻辑量子位。
凯利说，尽管如此，团队离完全纠正错误还有一半的距离。研究人员没有像在量子计算机中那样，将翻转的物理量子比特变回到原来的状态。更重要的是，谷歌团队不能同时解决两种可能影响量子比特的错误：交换量子态 0 和 1 部分的位翻转，以及改变 0 和 1 部分在数学上的啮合方式的相位翻转。但是在实验当中，研究人员只能控制其中的一种错误。
凯利说，要纠正这两个问题，它们需要进入另一个维度，不是在物理量子位链中编码单个逻辑量子位，而是在一个更复杂的协议中，即所谓的表面代码中，将一个逻辑量子位编码在一个正方形网格中。
谷歌的物理学家凯文・萨辛格 (Kevin Satzinger) 说，为了实现表面编码，谷歌的研究人员仍然需要改进单个物理量子位，并将错误率进一步降低 30%。
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参考：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03588-y#citeas
https://www.newscientist.com/article/2283945-google-demonstrates-vital-step-towards-large-scale-quantum-computers/
https://www.sciencemag.org/news/2021/07/physicists-move-closer-defeating-errors-quantum-computation
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