不出所料，超導(dǎo)量子計算的研究領(lǐng)域又雙有大新聞啦！
就在 2024 年 12 月 9 日，來自谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的研究團(tuán)隊，成功研制了全新一代的超導(dǎo)量子計算芯片“柳木（Willow）”，吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。
相關(guān)研究成果以《Quantum error correction below the surface code threshold（表面碼閾值以下的量子糾錯）》為題，在線發(fā)表于國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature》上。Willow 超導(dǎo)量子計算芯片的誕生，意味著這個曾經(jīng)困擾科學(xué)家近 30 年的“量子糾錯”問題，終于迎來了成功的曙光！
全新一代的超導(dǎo)量子計算芯片“柳木（Willow）”的研究成果。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]
那么，困擾科學(xué)家如此之久的“量子糾錯”問題到底是什么？Willow 超導(dǎo)量子計算芯片的成功研制為何能讓科學(xué)家們?nèi)绱伺d奮呢？
就請各位讀者保持好奇心，來和我們共同揭開超導(dǎo)量子計算芯片的神秘面紗吧！
量子計算的“卡脖子”難題
量子糾錯
運(yùn)算錯誤是計算中不可避免的問題，在量子計算中更為明顯。
這是因為，量子計算的基本運(yùn)算單元量子比特，對外界環(huán)境的噪聲和干擾十分敏感。因此，量子比特在實際的量子計算過程中很容易發(fā)生運(yùn)算錯誤，從而難以輸出穩(wěn)定可靠的運(yùn)算結(jié)果。也就是說，雖然量子計算在特定任務(wù)的處理上具有超越經(jīng)典計算機(jī)的強(qiáng)大并行算力，但是量子計算機(jī)很容易出錯，目前仍然處于“帶噪聲的中等規(guī)模量子（NISQ）”階段。
為了解決量子計算機(jī)容易出現(xiàn)運(yùn)算錯誤的問題，科學(xué)家們提出了“量子糾錯”的概念，其主要目標(biāo)就是使得量子計算能夠在不破壞計算過程的前提下，識別和糾正實際發(fā)生的運(yùn)算錯誤，從而輸出穩(wěn)定可靠的運(yùn)算結(jié)果。因此，“量子糾錯”被認(rèn)為是構(gòu)建真正實用化量子計算機(jī)的必要條件，同時也是量子計算現(xiàn)今面臨的“卡脖子”難題。
其實早在 1995 年，物理學(xué)家彼得肖爾（Peter Shor）就提出了“量子糾錯”的概念，其核心思想就是將多個對外界干擾特別敏感的物理量子比特，編碼成一個非�？煽康摹斑壿嬃孔颖忍亍保瑥亩鴮崿F(xiàn)對于信息的編碼保護(hù)。
這樣一來，科學(xué)家們就可以使用其中的一些物理量子比特來識別這個“邏輯量子比特”的整體狀態(tài)，從而決定采用合適的方案來糾正發(fā)生的運(yùn)算錯誤。
需要補(bǔ)充說明的是，“邏輯量子比特”是一種抽象的物理概念，它由多個協(xié)同工作的物理量子比特組成，能夠通過編碼和錯誤糾正等技術(shù)，實現(xiàn)對量子信息的保護(hù)。因此，span style="color:rgb(63, 63, 63)">“邏輯量子比特”的運(yùn)算性能要優(yōu)于物理量子比特，被認(rèn)為是真正實用化的量子比特。
就像“把大象裝冰箱里”一樣，“量子糾錯”方案同樣也可以分解為以下 3 個步驟：
1
量子編碼
將原本單個量子比特的量子信息編碼到多個物理量子比特中，從而構(gòu)成一個“邏輯量子比特”。這樣做的目的是，即使部分物理量子比特發(fā)生錯誤，整個“邏輯量子比特”的量子信息仍然可以被保留；
2
量子錯誤檢測
只對其中的一些物理量子比特進(jìn)行測量，從而識別到錯誤發(fā)生的位置和類型，而不破壞“邏輯量子比特”中保存的量子信息；
3
量子錯誤糾正
根據(jù)檢測出的錯誤，科學(xué)家們會采用特定的“量子糾錯”算法來保證錯誤被有效地糾正，從而降低整體的運(yùn)算錯誤率。
在理想情況下，“量子糾錯”方案中所涉及的物理量子比特越多，那么這個“邏輯量子比特”就更加可靠，整個的運(yùn)算錯誤率也會隨之降低。
然而，理想很美好，現(xiàn)實卻很“骨感”。
由于物理量子比特本身也存在一定的錯誤率，并且受限于“量子操控”的精度，在實際的大規(guī)�！傲孔蛹m錯”過程中，極有可能出現(xiàn)“越糾越錯”的尷尬情況。
因此，要想讓“邏輯量子比特”的表現(xiàn)優(yōu)于物理量子比特，這就需要物理量子比特的錯誤率低于一個特定的閾值。只有這樣，“量子糾錯”方案才能從“越糾越錯”，轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸郊m越好”的理想目標(biāo)。
量子糾錯的“急先鋒”
超導(dǎo)量子計算
在正式介紹如何進(jìn)行“量子糾錯”之前，不妨讓我們先回顧一下這位熟悉的老朋友超導(dǎo)量子計算。
簡單而言，超導(dǎo)量子計算的核心元器件是約瑟夫森結(jié)（Josephson junction），它帶來的非線性特征能夠讓其中的某些特定能級，編碼成為物理量子比特，從而構(gòu)成超導(dǎo)量子計算的基本運(yùn)算單元。與此同時，要想保持約瑟夫森結(jié)的有效工作，就需要將超導(dǎo)量子計算系統(tǒng)置于零下 273.12℃ 或更低的極低溫環(huán)境中運(yùn)行。
那么，超導(dǎo)量子計算又是具有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢，從而成為“量子糾錯”中的“急先鋒”呢？
首先，超導(dǎo)量子計算方案與現(xiàn)今主流的集成電路工藝相兼容，具有研制周期短和高度的可擴(kuò)展性等優(yōu)勢。因此，科學(xué)家們可以在超導(dǎo)量子計算系統(tǒng)中制備出足夠多的物理量子比特，從而滿足量子糾錯所需的規(guī)模化需求；
其次，隨著工藝水平的進(jìn)步和操控能力的提升，超導(dǎo)量子計算的準(zhǔn)確度已經(jīng)得到明顯的提升。如今，超導(dǎo)量子計算方案中的單量子比特門的錯誤率已經(jīng)低于 0.092%，并且雙量子比特門的最高保真度都可以超過 99%，從而滿足量子糾錯所需的精確物理量子比特的要求。
正是憑借著以上兩個優(yōu)勢，超導(dǎo)量子計算被認(rèn)為是實現(xiàn)“量子糾錯”的理想平臺，并且在“量子糾錯”領(lǐng)域中大展身手。
量子糾錯的“里程碑”
谷歌Willow量子計算芯片
早在 2019 年，谷歌量子人工智能的研究團(tuán)隊就成功研制出具有 53 個量子比特的超導(dǎo)量子計算芯片“懸鈴木（Sycamore）”，并且宣稱實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，這被視為是量子計算發(fā)展史的重要時刻。
2019年，谷歌研制出的超導(dǎo)量子計算芯片“懸鈴木（Sycamore）”。
圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]
相較于上一代的超導(dǎo)量子計算芯片“懸鈴木（Sycamore）”，全新的 Willow 超導(dǎo)量子計算芯片不僅具備了前者的所有優(yōu)點(diǎn)，更是在量子比特的規(guī)模以及性能方面得到了明顯的提升。
具體而言，Willow 超導(dǎo)量子計算芯片具有高達(dá) 105 個超導(dǎo)量子比特，這接近于上一代量子計算芯片的兩倍。更重要的是，Willow 超導(dǎo)量子計算芯片中的量子比特錯誤率得到明顯的抑制，其中單量子比特門的平均錯誤率僅有 0.035%，而雙量子比特門的平均錯誤率也只有 0.33%。這意味著，這款全新的量子計算芯片特別適合用于“量子糾錯”，并且有望實現(xiàn)大規(guī)模的擴(kuò)展以走向?qū)嶋H的應(yīng)用。
研究結(jié)果表明，隨著超導(dǎo)量子比特數(shù)目的增加，Willow 超導(dǎo)量子計算芯片的運(yùn)算錯誤率還呈現(xiàn)出指數(shù)級的降低，也就是實現(xiàn)了所謂的“越糾越對”。這標(biāo)志著，Willow 超導(dǎo)量子計算芯片是全球首個在增加量子比特數(shù)量的同時能夠降低運(yùn)算錯誤率的量子計算系統(tǒng)，這也被視為“量子糾錯”的里程碑事件。
2024年12月，谷歌研制出的超導(dǎo)量子計算芯片“柳木（Willow）”。圖片來源：Google Quantum AI
百舸爭流
不曾缺席的中國力量
值得一提的是，就在 2024 年 12 月 17 日，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊也成功研制出了全新的“祖沖之三號”超導(dǎo)量子計算芯片，其研究成果以《Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor（具有 105 個量子比特的祖沖之 3.0 量子處理器以建立量子計算優(yōu)勢的新標(biāo)桿）》為題，已經(jīng)上傳至預(yù)印本文庫arXiv上。
研究結(jié)果表明，“祖沖之三號”超導(dǎo)量子計算芯片同樣也具有高達(dá) 105 個超導(dǎo)量子比特，在各種性能指標(biāo)上與 Willow 超導(dǎo)量子計算芯片旗鼓相當(dāng)。目前，該研究團(tuán)隊正在基于“祖沖之三號”超導(dǎo)量子計算芯片開展相關(guān)測試工作，為實現(xiàn)大規(guī)模的“量子糾錯”和“量子比特操控”鋪平道路。
2024年12月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊也成功研制出了全新的“祖沖之三號”超導(dǎo)量子計算芯片。圖片來源：中國科大新聞網(wǎng)
其實，在量子計算這個戰(zhàn)略領(lǐng)域的國際競爭中，中國力量從未缺席。
早在 2021 年，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊就研制出早期的國產(chǎn)超導(dǎo)量子計算芯片“祖沖之號”，并且擁有 62 個超導(dǎo)量子比特，同樣也實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，這被認(rèn)為是中國量子計算發(fā)展史的重要時刻。相關(guān)研究成果以《Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor（可編程的二維 62 個量子比特超導(dǎo)處理器上的量子行走）》為題，發(fā)表于國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Science》上。
隨后在 2022 年，該研究團(tuán)隊在“祖沖之號”的升級版“祖沖之二號”超導(dǎo)量子計算芯片上，實現(xiàn)了一種由 17 個量子比特組成的糾錯表面碼，首次實現(xiàn)表面碼的重復(fù)糾錯。這項研究首次證明了超導(dǎo)量子計算可以使用表面碼進(jìn)行重復(fù)量子糾錯的可行性，相關(guān)研究成果以《Realization of an Error-Correcting Surface Code with Superconducting Qubits（實現(xiàn)超導(dǎo)量子比特糾錯表面碼）》為題，發(fā)表于頂尖物理學(xué)期刊《Physical Review Letters》上。
而在 2023 年，來自南方科技大學(xué)的研究團(tuán)隊在超導(dǎo)量子計算的“量子糾錯”研究中同樣取得突破性的進(jìn)展。該研究團(tuán)隊采用實時重復(fù)的“量子糾錯”方案，延長了量子信息的存儲時間，在國際上首次超越盈虧平衡點(diǎn)，展示了“量子糾錯”的巨大實用價值。相關(guān)研究成果以《Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit（用離散變量編碼的邏輯量子比特來超越盈虧平衡點(diǎn)）》為題，發(fā)表于國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature》上。
結(jié)語
綜上所述，量子計算作為量子力學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的交叉領(lǐng)域，是量子力學(xué)的最新發(fā)展方向之一，被認(rèn)為是“第二次量子革命”的重要標(biāo)志。
當(dāng)前，量子計算處于科技攻關(guān)和國際競爭的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，具有重大的科學(xué)意義和戰(zhàn)略價值，已經(jīng)吸引了全球主要科技強(qiáng)國的廣泛關(guān)注，并且涌現(xiàn)出一大批商業(yè)科技巨頭和頂尖的量子研究機(jī)構(gòu)。其中，以超導(dǎo)量子計算系統(tǒng)和離子阱量子計算系統(tǒng)為代表的兩大物理實現(xiàn)方案，被科學(xué)界認(rèn)為是實現(xiàn)量子計算的主流技術(shù)路線。可以說，現(xiàn)在正處于“第二次量子革命”的黎明時分，國際競爭不斷加劇。
參考文獻(xiàn)
[1]Acharya R, Aghababaie-Beni L, Aleiner I, et al. Quantum error correction below the surface code threshold[J]. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08449-y
[2]Shor P W. Scheme for reducing decoherence in quantum computer memory[J]. Physical review A, 1995, 52(4): R2493.
[3]Arute F, Arya K, Babbush R, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor[J]. Nature, 2019, 574(7779): 505-510.
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[6]Zhao Y, Ye Y, Huang H L, et al. Realization of an error-correcting surface code with superconducting qubits[J]. Physical Review Letters, 2022, 129(3): 030501.
[7]Ni Z, Li S, Deng X, et al. Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit[J]. Nature, 2023, 616(7955): 56-60.
策劃制作
出品丨科普中國
作者丨欒春陽 國防科技大學(xué)理學(xué)院，吳偉 國防科技大學(xué)理學(xué)院，王雨桐 清華大學(xué)物理學(xué)博士
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審校丨徐來 林林
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