重磅！量子科学家揭秘谷歌表面码实验：通用型量子计算机即将实现

发布时间：2023-03-21 08:50:52 所属栏目：动态来源：

导读：量子计算方法是人工智能的一种新型的利用量子力学原理一步一步地进行信息处理的新型自动化的计算处理模式，它有望在某些问题上大幅超越传统的经典计算机。然而，量子计算也面临着巨大的挑战，其中之一就是如何有效地

量子计算方法是人工智能的一种新型的利用量子力学原理一步一步地进行信息处理的新型自动化的计算处理模式，它有望在某些问题上大幅超越传统的经典计算机。然而，量子计算也面临着巨大的挑战，其中之一就是如何有效地纠正量子比特（qubit）在运算过程中受到环境干扰而产生的错误。如果错误率过高，那么量子计算机将无法实现可靠和可扩展的运行。

近日，谷歌宣布在《自然》杂志上发表了一项重要研究成果，首次证明了通过增加物理量子比特的数量可以降低逻辑量子比特（由多个物理量子比特编码而成）的错误率。这一突破被认为是继2019年谷歌实现“量子霸权”（quantum supremacy）后，量子计算领域的又一重大事件。

首先，让我们来回顾一下什么是“表面码”（surface code），这是谷歌采用的一种主流且有效的量子纠错方案。表面码将逻辑量子比特编码为物理量子比特组成的二维阵列，并通过周期性地测量相邻数据物理qubit之间X或Z方向上是否存在奇偶校验来检测并纠正错误。表面码具有很多优点，例如：容易实现任意单个逻辑qubit上门操作；具有较高的保真度阈值；能够抵抗任意类型单个qubit或两个qubit之间门操作出错等。

因此，在实验中验证增加物理qubit数量能否有效降低逻辑qubit错误率就显得至关重要。如果不能，则意味着当前技术水平下无法达到容错运行所需条件；如果能够，则意味着我们距离构建通用型量子计算机更近了一步。谷歌的实验使用了一个由54个超导量子比特组成的处理器，分别构建了distance-5、distance-7和distance-9的表面码，并通过测量逻辑量子比特每周期出错概率来评估其性能。结果显示，随着物理量子比特数量的增加，逻辑量子比特每周出错概率显著降低，从2.914%（distance-5）降到0.875%（distance-9）。这有力地表明了多层表面光学的编码方法具有良好的可扩展性和良好的容错性。

这一突破对于实现通用型量子计算机具有重要意义。根据表面码容错阈值定理，如果物理量子比特每周期出错概率低于1%左右，那么就可以通过增加物理量子比特数量来任意降低逻辑量子比特每周期出错概率，并且只需要很小的计算复杂度开销。换句话说，只要物理量子比特保真度足够高，那么就可以用表面码编码任意多个逻辑量子比特，并且可以在它们之间实现任意操作而不损失信息。这个过程称为纠错码编码。纠错编码的优点是可以保证数据的完整性。

总之，谷歌在表面码方面取得了令人瞩目的进展，为超导体系中实现容错和可编程的通用型量子计算机更近了一步。谷歌在表面码方面取得了令人瞩目的进展，为超导体系实现容错和可编程的通用型量子计算机提供了重要指导和启示。这一成果也为量子科学界带来了新的挑战和机遇，激发了对量子计算理论和实验的更深入和广泛的探索。

（编辑：汽车网）

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