超导量子计算——量子纠错中的“急先锋”
出(chū)品(pǐn)：
作(zuò)者(zhě)：栾(luán)春(chūn)阳(yáng)（国(guó)防(fáng)科(kē)技(jì)大(dà)学(xué)理(lǐ)学(xué)院(yuàn)）
吴(wú)伟(wěi)（国(guó)防(fáng)科(kē)技(jì)大(dà)学(xué)理(lǐ)学(xué)院(yuàn)）
王(wáng)雨(yǔ)桐(tóng)（清(qīng)华(huá)大(dà)学(xué)物(wù)理(lǐ)学(xué)博(bó)士(shì)）
监(jiān)制(zhì)：中(zhōng)国(guó)科(kē)普(pǔ)博(bó)览(lǎn)
不(bù)出(chū)所(suǒ)料(liào)，超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)的(de)研(yán)究(jiū)领(lǐng)域又(yòu)双(shuāng)叒(ruò)有(yǒu)大(dà)新(xīn)闻(wén)啦(la)！
就(jiù)在(zài)2024年(nián)12月(yuè)9日(rì)，来(lái)自(zì)谷(gǔ)歌(gē)量(liàng)子(zi)人(rén)工(gōng)智(zhì)能(néng)（Google Quantum AI）的(de)研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)，成(chéng)功(gōng)研(yán)制(zhì)了(le)全新(xīn)一(yī)代(dài)的(de)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)芯(xīn)片(piàn)“柳(liǔ)木(mù)（Willow）”，吸(xī)引(yǐn)了(le)学(xué)术(shù)界和工业界的广泛关注。
相关的研究成果以《Quantum error correction below the surface code threshold（表面码阈值以下的量子纠错）》为题，在线发表于国际顶尖学术期刊《Nature》上。Willow超导量子计算芯片的诞生，意味着这个曾经困扰科学家近30年的量子纠错问题，终于迎来了成功的曙光！
图1 全新一代的超导量子计算芯片“柳木（Willow）”的研究成果
（图片来源：参考文献[1]）
那么，困扰科学家如此之久的“量子纠错”问题到底是什么？Willow超导量子计算芯片的成功研制为何能让科学家们如此兴奋呢？那么，就请各位读者保持好奇心，来和我们共同揭开超导量子计算芯片的神秘面纱吧！
量子纠错——量子计算的“卡脖子”难题
运算错误是计算中不可避免的问题，在量子计算中更为明显。
这是因为，量子计算的基本运算单元——量子比特，对(duì)外(wài)界(jiè)环(huán)境(jìng)的噪声和干扰十分敏感。因此，量子比特在实际的量子计算过程中很容易发生运算错误，从而难以输出稳定可靠的运算结果。也就是说，虽然量子计算在特定任务的处(chù)理(lǐ)上(shàng)具(jù)有(yǒu)超(chāo)越(yuè)(yuè)经(jīng)典(diǎn)计(jì)算(suàn)机(jī)的(de)强(qiáng)大(dà)并(bìng)行(xíng)算(suàn)力(lì)，但(dàn)是(shì)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)很(hěn)容(róng)易(yì)出(chū)错(cuò)，目(mù)前(qián)仍(réng)然(rán)处(chù)于(yú)“带(dài)噪(zào)声(shēng)的(de)中(zhōng)等(děng)规(guī)模(mó)量(liàng)子(zi)（NISQ）”阶(jiē)段(duàn)。
为(wèi)了(le)解(jiě)决(jué)量子计算机容易出现运算错误的问题，科学家们提出了“量子纠错”的概念，其主要目标就是使得量子计算能够在不破坏计算过程的前提下，识别和纠正实际发生的运算错误，从而输出稳定可靠的运算结果。因此，量子纠错被认为是构建真正实用化量子计算机的必要条件，同时也是量子计算现今面临的“卡脖子”难题。
其实早在1995年，物理学家彼得·肖尔（Peter Shor）就提出了量子纠错的概念，其核心思想就是将多个对外界干扰特别敏感的物理量子比特，编码成为一(yī)个(gè)非常可靠的“逻辑量子比特”，从而实现对于信息的编码保护。这样一来，科学家们就可以使用其中的一些物理量子比特来识别这个“逻辑量子比特”的整体状态，从而决定采用合适的方案来纠正发生的运算错误。
需要补充说明的是，“逻辑量子比特”是一种抽象的物理概念，它由多个协同工作的物理量子比特组成，能够通过编码和错误纠正等技术，从而实现对量子信息的保护。因此，“逻辑量子比特”的运算性(xìng)能(néng)要(yào)优于物理量子比特，被认为是真正实用化的量子比特。
就像“把大象装冰箱里”一样，量子纠错方案同样也可以分解为以下3个步骤：
1.量子编码：将原本单个量子比特的量子信息编码到多个物理量子比特中，从而构成一个“逻辑量子比特”。这样做的目的是，即使部分物理量子比特发生错误，整个“逻辑量子比特”的量子信息仍然可以被保留；
2.量子错误检测：只对其中的一些物理量子比特进行测量，从而识别到错误发生的位置和类型，而不破坏“逻辑量子比特”中保存的量子信息；
3.量子错误纠正：根据检测出的错误，科学家们会采用特定的量子纠错算法来保证错误被有效地纠正，从(cóng)而(ér)降(jiàng)低(dī)整体的运算错误率。
在理想情况下，量子纠错方案中所涉及的物理量子比特越多，那么这个“逻辑量子比特”就更加可靠，整个的运算错误率也会随之降低。
然而，理想很美好，现实却很骨感。由于物理量子比(bǐ)特(tè)本(běn)身(shēn)也(yě)存(cún)在(zài)一(yī)定(dìng)的(de)错(cuò)误(wù)率(lǜ)，并(bìng)且(qiě)受(shòu)限(xiàn)于(yú)量(liàng)子(zi)操(cāo)控(kòng)的(de)精(jīng)度(dù)，在(zài)实(shí)际(jì)的(de)大(dà)规(guī)模(mó)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)过(guò)程(chéng)中(zhōng)，极(jí)有(yǒu)可(kě)能(néng)出(chū)现(xiàn)“越(yuè)纠(jiū)越(yuè)错(cuò)”的(de)尴(gān)尬(gà)情(qíng)况(kuàng)。
图(tú)2 量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)的(de)艺(yì)术(shù)示(shì)意(yì)图(tú)
（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：veer图(tú)库(kù)）
因(yīn)此(cǐ)，要(yào)想(xiǎng)让(ràng)“逻(luó)辑(ji)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)”的(de)表(biǎo)现(xiàn)优(yōu)于(yú)物(wù)理(lǐ)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)，这(zhè)就(jiù)需(xū)要(yào)物(wù)理(lǐ)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)错(cuò)误(wù)率(lǜ)低(dī)于(yú)一(yī)个(gè)特(tè)定(dìng)的(de)阈(yù)值(zhí)。只(zhǐ)有(yǒu)这(zhè)样(yàng)，量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)方(fāng)案(àn)才(cái)能(néng)从(cóng)“越(yuè)纠(jiū)越(yuè)错(cuò)”，转(zhuǎn)变(biàn)为(wèi)“越(yuè)纠(jiū)越(yuè)好(hǎo)”的(de)理(lǐ)想(xiǎng)目(mù)标(biāo)。
超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)——量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)中(zhōng)的(de)“急(jí)先(xiān)锋(fēng)”
在(zài)正(zhèng)式(shì)介(jiè)绍(shào)如(rú)何(hé)进(jìn)行(xíng)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)之(zhī)前(qián)(qián)，不(bù)(bù)妨(fáng)(fáng)让(ràng)(ràng)我(wǒ)(wǒ)们(men)(men)先(xiān)(xiān)回(huí)(huí)顾(gù)(gù)一(yī)(yī)下(xià)(xià)这(zhè)(zhè)位(wèi)熟(shú)悉(xī)的(de)老(lǎo)朋(péng)友(you)——超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)。
简(jiǎn)单(dān)而(ér)言(yán)，超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)的(de)核(hé)心(xīn)元(yuán)器(qì)件(jiàn)是(shì)约(yuē)瑟(sè)夫(fu)森(sēn)结(jié)(Josephson junction)，其(qí)带(dài)来(lái)的(de)非(fēi)线(xiàn)性(xìng)特(tè)征(zhēng)能(néng)够(gòu)让(ràng)其(qí)中(zhōng)的(de)某(mǒu)些(xiē)特(tè)定(dìng)(dìng)能(néng)(néng)级(jí)(jí)，编(biān)码(mǎ)成(chéng)为(wèi)物(wù)理(lǐ)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)，从(cóng)而(ér)构(gòu)成(chéng)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)的(de)基(jī)本(běn)运(yùn)算(suàn)单(dān)(dān)元(yuán)。与(yǔ)此(cǐ)同(tóng)时(shí)，要(yào)想(xiǎng)保(bǎo)持(chí)约(yuē)瑟(sè)夫(fu)森(sēn)结(jié)的(de)有(yǒu)效(xiào)工(gōng)作(zuò)，就(jiù)需(xū)要(yào)将(jiāng)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)系(xì)统(tǒng)置(zhì)于(yú)零(líng)下(xià)273.12℃或(huò)更(gèng)低(dī)的(de)极(jí)低(dī)温(wēn)环(huán)境(jìng)中(zhōng)运(yùn)行(xíng)。
图(tú)3 超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)的(de)艺(yì)术(shù)示(shì)意(yì)图(tú)
（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：veer图(tú)库(kù)）
那(nà)么(me)，超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)又(yòu)是(shì)具(jù)有(yǒu)哪(nǎ)些(xiē)独(dú)特(tè)的(de)优(yōu)势(shì)，从(cóng)而(ér)成(chéng)为(wèi)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)中(zhōng)的(de)“急(jí)先(xiān)锋(fēng)”呢(ne)？
首(shǒu)先(xiān)，超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)方(fāng)案(àn)与(yǔ)现(xiàn)今(jīn)主流(liú)的(de)集成(chéng)电(diàn)路工(gōng)艺(yì)相(xiāng)兼(jiān)容(róng)，具(jù)有(yǒu)研(yán)制(zhì)周(zhōu)期(qī)短(duǎn)和(hé)高(gāo)度(dù)的(de)可(kě)扩(kuò)展(zhǎn)性(xìng)等(děng)优(yōu)势(shì)。因(yīn)此(cǐ)，科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)可(kě)以(yǐ)在(zài)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)系(xì)统(tǒng)中(zhōng)制(zhì)备(bèi)出(chū)足(zú)够(gòu)多(duō)的(de)物(wù)理(lǐ)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)，从(cóng)而(ér)满(mǎn)足(zú)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)所(suǒ)需(xū)的(de)规(guī)模(mó)化(huà)需(xū)求(qiú)；
其(qí)次(cì)，随(suí)着(zhe)工(gōng)艺(yì)水(shuǐ)平(píng)的(de)进(jìn)步(bù)和(hé)操(cāo)控(kòng)能(néng)力(lì)的(de)提(tí)升(shēng)，超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)的(de)准(zhǔn)确(què)度(dù)已(yǐ)经(jīng)得(de)到(dào)明(míng)显(xiǎn)的(de)提(tí)升。如(rú)今(jīn)，超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)方(fāng)案(àn)中(zhōng)的(de)单(dān)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)门(mén)的(de)错(cuò)误(wù)率(lǜ)已(yǐ)经(jīng)低(dī)于(yú)0.092%，并(bìng)且(qiě)双(shuāng)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)门的最高保真度都可以超过99%，从而满足量子纠错所需的精确物理量子比特的要求。
正是凭借着以上的两个优势，超导量子计算被认为的实现量子纠错的理想平台，并且在量子纠错领域中大展身手。
谷歌Willow量子计算芯片——量子纠错的“里程碑”
早在2019年，谷歌量子(zi)人(rén)工(gōng)智(zhì)能(néng)的(de)研究团队就成功研制出具有53个量子比特的超导量子计算芯片“悬铃木（Sycamore）”，并且宣称实现了“量子优越性”，这被视为是量子计算发展史的重要时刻。
图4 2019年，谷歌研制出的超导量子计算芯片“悬铃木（Sycamore）”
（图片来源：参考文献[3]）
相较于上一代的超导量子计算芯片“悬铃木（Sycamore）”，全新的Willow超导量子计算芯片不仅仅具备了前者的所有优点，更是在量子比特的规模以及性能方面得到了明显的提升。
具体而(ér)言(yán)，Willow超导量子计算芯片具有高达105个超导量子比特，这接近于上一代量子计算芯片(piàn)的(de)两(liǎng)倍(bèi)。更(gèng)重(zhòng)要(yào)的(de)是(shì)，Willow超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)芯(xīn)片(piàn)中(zhōng)的(de)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)错(cuò)误(wù)率(lǜ)得(de)到(dào)明(míng)显的抑制，其中单量子比特门的平均错误率仅有0.035%，而双量子比特门的平(píng)均错误率也只有0.33%。这意味着，这款全新的量子计算芯片特别适合用于量子纠错，并(bìng)且有望实现大规模的扩展以走向实际的应用。
研究结果表明，随着超导量子比特数目的增加，Willow超导量子计算芯片的运算错误率还呈现出指数级的降低，也就是实现了所谓的“越纠越对”。这标志着，Willow超导量子计算芯片是全球首个在增加量子比特数量的同时能够降低运算错误率的量子计算系统，这也被视为量子纠错的“里程碑”事件。
图5 2024年12月，谷歌研制出的超导量子计算芯片“柳木（Willow）”
（图片来源：Google Quantum AI）
百舸争流——不曾缺席的中国力量
值得一提的是，就在2024年12月17日，来(lái)自(zì)中(zhōng)国(guó)科(kē)学技术大学(xué)的(de)研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)也(yě)成(chéng)功(gōng)研(yán)制(zhì)出(chū)了(le)全新(xīn)的(de)“祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)三(sān)号(hào)”超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)芯(xīn)片(piàn)，其(qí)研(yán)究(jiū)成(chéng)果(guǒ)以(yǐ)《Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor（具(jù)有(yǒu)105个(gè)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)3.0量(liàng)子(zi)处(chù)理(lǐ)器(qì)以(yǐ)建(jiàn)立(lì)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)优(yōu)(yōu)势(shì)(shì)的(de)新(xīn)标(biāo)杆(gān)）》为(wèi)题(tí)，已(yǐ)经(jīng)上(shàng)(shàng)传(chuán)(chuán)至(zhì)(zhì)预(yù)(yù)印(yìn)(yìn)本(běn)(běn)文库(kù)(kù)arXiv上(shàng)(shàng)。
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图(tú)6 2024年(nián)12月(yuè)，中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)技(jì)术(shù)大(dà)学(xué)的(de)研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)也(yě)成(chéng)功(gōng)研(yán)制(zhì)出(chū)了全新的“祖冲之三号”超导量子计算芯片
（图片来源：中国科大新闻网）
其实，在量子计算这个战略领域的国际竞争中，中国力量从未缺席。
早在2021年，来自中国科学技术大学的研究团队就研制出早期的国产超导量子计算芯片“祖冲之号”，并且拥有62个超导量子比特，同样也实现了“量子优越性”，这被认为是中国量子计算发展史的重要时刻。相关研究成果以《Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor（可编程的二维62个量子比特超导处理器上的量子行走）》为题，发表于国际顶尖学术期刊《Science》上。
随后在2022年，该研究团队在“祖冲之号”的升级版“祖冲之二号”超导量子计算芯片上，实现了一种由17个量子比特组成的纠错表面码，首次实现表面码的重复纠错。这项研究首次证明了超导量子计算可以使用表面码进行重复量子纠错的可行性，相关研究成果以《Realization of an Error-Correcting Surface Code with Superconducting Qubits（实现超导量子比特纠错表面码）》为题，发表于顶尖物理学期刊《Physical Review Letters》上。
而在2023年，来自南方科技大学的研究团队在超导量子计算的量子纠错研究中同样取得突破性的进展。该研究团队采用实时重复的量子纠错方案，从而延长了量子信息的存储时间，在国际上首次超越盈亏平衡点，展示了量子纠错的巨大实用价值。相关研究成果以《Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit（用离散变量编码的逻辑量子比特来超越盈亏平衡点）》为题，发表于国际顶尖学术期刊《Nature》上。
结语
综上所述，量子计算作为量子力学与信息科学相结合的交叉领域，是量子力学的最新发展方向之一，被认为是“第二次量子革命”的重要标志。
当前，量子计算处于科技攻关和国际竞争的关键节点，具有重大的科学意义和战略价值，已经吸引了全球主要科技强国的广泛关注，并且涌现出一大批商业科技巨头和顶尖的量子研究机构。其中，以超导量子计算系统和离子阱量子计算系统为代表的两大物理实现方案，被科学界认为是实现量子计算的主流技术路线。可以说，现在正处于“第二次量子革命”的黎明时分，国际竞争不断加剧。
那么，除了我们所熟知的超导量子计算系统之外，离子阱量子计算系统又扮演怎样的关键角色呢？就请各位读者保持好奇心，让我们在下一篇中共同探索更多的量子奥秘吧！
参考文献：
[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
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