迈向纠错量子计算机：谷歌“悬铃木”实现错误抑制指数增长

国际顶尖学术期刊《Nature》发布的最新论文报道了量子计算的最新进展：谷歌的一个实验演示或为可扩展容错量子计算机的开发铺平道路。

该结果之所以令人振奋，是因为它们表明量子纠错可以成功将错误率控制在一定范围内。虽然这个错误率还没达到实现量子计算机潜力的阈值，但本文的结果表明，谷歌的量子“悬铃木”架构或已逼近这一阈值。

该论文题为《Exponential suppression of bit or phase errors with cyclic error correction》（通过循环纠错对比特误差或相位误差进行指数抑制），于北京时间7月14日发表于Nature，通讯作者为谷歌量子AI实验室研究科学家Julian Kelly。在该实验中，谷歌AI设计的量子处理器“悬铃木”（Sycamore）实现了错误抑制的指数增长。

2019年9月，谷歌公司宣布研制出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对某一个数学问题的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”（Summit）需要2天，因此谷歌在全球首次实现了“量子优越性”。

量子计算机与经典计算机一样，很容易出现由底层物理系统“噪声”引起的错误，一种解决办法是在计算机操作中加入一种能在错误出现时发现并纠正这些错误的方法。

使用量子纠错码是一种量子纠错方法，利用多个物理比特（量子信息的单位，对应经典计算机的比特）代表一个逻辑比特，从而在不破坏逻辑量子比特中存储信息的情况下，发现并纠正错误。（比如，约定100、001和010都代表逻辑比特“0”，011、101、110都是代表逻辑比特“1”。若单个物理比特发生翻转的概率是X，那么逻辑比特翻转的概率是X3，远小于X。）

该文章指出，实现量子计算的潜力需要保持逻辑错误率在很低的水平，许多应用都要求错误率低至 10^-15，但目前最先进的量子平台的物理错误率通常接近 10^-3。

研究了悬铃木处理器的量子纠错能力，悬铃木包含一个54超导量子比特的二维阵列。他们运行了两种量子纠错码：一种是最多由21个量子比特组成的一维链重复码，用来测试错误抑制能力；另一种是由7个量子比特组成的二维表面码，作为与更大码的设置相容性的原理验证实验。

其研究表明，将重复码基于的量子比特数量从5个提高到21个，对逻辑错误的抑制实现了最多100倍的指数增长。这种错误抑制能力在50次纠错实验中均表现稳定。

文章结论称，这些实验演示为构建具有超导量子比特的可扩展容错量子计算机奠定了基础。不过，在实现可扩展的量子纠错的道路上仍然存在许多挑战。研究者指出了达到表面码(surface code)阈值所需的显著研究方向：减少测量和重置期间的 CZ 门误差和数据量子比特（data qubit）误差。达到这个门槛将是量子计算的一个重要里程碑。

然而，实用量子计算需要Λ≈ 10来实现适当的物理-逻辑量子比特比：1000:1。实现Λ≈10需要大幅降低操作错误率，并进一步研究减少错误的机制，如高能粒子。