國際頂尖學術期刊《Nature》發布的最新論文報道了量子計算的最新進展：谷歌的一個實驗演示或為可擴展容錯量子計算機的開發鋪平道路。

該結果之所以令人振奮，是因為它們表明量子糾錯可以成功將錯誤率控制在一定范圍內。雖然這個錯誤率還沒達到實現量子計算機潛力的閾值，但本文的結果表明，谷歌的量子“懸鈴木”架構或已逼近這一閾值。

該論文題為《Exponential suppression of bit or phase errors with cyclic error correction》（通過循環糾錯對比特誤差或相位誤差進行指數抑制），于北京時間7月14日發表于Nature，通訊作者為谷歌量子AI實驗室研究科學家Julian Kelly。在該實驗中，谷歌AI設計的量子處理器“懸鈴木”（Sycamore）實現了錯誤抑制的指數增長。

2019年9月，谷歌公司宣布研制出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，對某一個數學問題的計算只需200秒，而當時世界最快的超級計算機“頂峰”（Summit）需要2天，因此谷歌在全球首次實現了“量子優越性”。

量子計算機與經典計算機一樣，很容易出現由底層物理系統“噪聲”引起的錯誤，一種解決辦法是在計算機操作中加入一種能在錯誤出現時發現并糾正這些錯誤的方法。

使用量子糾錯碼是一種量子糾錯方法，利用多個物理比特（量子信息的單位，對應經典計算機的比特）代表一個邏輯比特，從而在不破壞邏輯量子比特中存儲信息的情況下，發現并糾正錯誤。（比如，約定100、001和010都代表邏輯比特“0”，011、101、110都是代表邏輯比特“1”。若單個物理比特發生翻轉的概率是X，那么邏輯比特翻轉的概率是X3，遠小于X。）

該文章指出，實現量子計算的潛力需要保持邏輯錯誤率在很低的水平，許多應用都要求錯誤率低至 10^-15，但目前最先進的量子平臺的物理錯誤率通常接近 10^-3。

研究了懸鈴木處理器的量子糾錯能力，懸鈴木包含一個54超導量子比特的二維陣列。他們運行了兩種量子糾錯碼：一種是最多由21個量子比特組成的一維鏈重復碼，用來測試錯誤抑制能力；另一種是由7個量子比特組成的二維表面碼，作為與更大碼的設置相容性的原理驗證實驗。

其研究表明，將重復碼基于的量子比特數量從5個提高到21個，對邏輯錯誤的抑制實現了最多100倍的指數增長。這種錯誤抑制能力在50次糾錯實驗中均表現穩定。

文章結論稱，這些實驗演示為構建具有超導量子比特的可擴展容錯量子計算機奠定了基礎。不過，在實現可擴展的量子糾錯的道路上仍然存在許多挑戰。研究者指出了達到表面碼(surface code)閾值所需的顯著研究方向：減少測量和重置期間的 CZ 門誤差和數據量子比特（data qubit）誤差。達到這個門檻將是量子計算的一個重要里程碑。

然而，實用量子計算需要Λ≈ 10來實現適當的物理-邏輯量子比特比：1000:1。實現Λ≈10需要大幅降低操作錯誤率，并進一步研究減少錯誤的機制，如高能粒子。