居然如斯，超导量子狡计的商讨界限又双叒有大新闻啦！
就在 2024 年 12 月 9 日，来自谷歌量子东谈主工智能（Google Quantum AI）的商讨团队，告捷研制了全新一代的超导量子狡计芯片“柳木（Willow）”，眩惑了学术界和工业界的庸碌柔软。
有关商讨恶果以《Quantum error correction below the surface code threshold（名义码阈值以下的量子纠错）》为题，在线发表于海外顶尖学术期刊《Nature》上。Willow 超导量子狡计芯片的出身，意味着这个也曾困扰科学家近 30 年的“量子纠错”问题，终于迎来了告捷的晨曦！
全新一代的超导量子狡计芯片“柳木（Willow）”的商讨恶果。
图片开端：参考文件[1]
那么，困扰科学家如斯之久的“量子纠错”问题到底是什么？Willow超导量子狡计芯片的告捷研制为何能让科学家们如斯昂扬呢？
就请诸位读者保握意思心，来和咱们共同揭开超导量子狡计芯片的私密面纱吧！
量子狡计的“卡脖子”艰巨
——量子纠错
运算荒谬是狡计中不成幸免的问题，在量子狡计中更为赫然。
这是因为，量子狡计的基本运算单位——量子比特，对外界环境的噪声和打扰十分敏锐。因此，量子比特在实质的量子狡计经由中很容易发生运算荒谬，从而难以输出健硕可靠的运算放荡。也便是说，固然量子狡计在特定任务的处理上具有超越经典狡计机的鉴定并行算力，但是量子狡计机很容易出错，面前仍然处于“带噪声的中等限度量子（NISQ）”阶段。
为了责罚量子狡计机容易出现运算荒谬的问题，科学家们提倡了“量子纠错”的见解，其主要主张便是使得量子狡计巧合在不破损狡计经由的前提下，识别和蜕变实质发生的运算荒谬，从而输出健硕可靠的运算放荡。因此，“量子纠错”被觉得是构建简直实用化量子狡计机的必要条目，同期亦然量子狡计现今濒临的“卡脖子”艰巨。
其实早在 1995 年，物理学家彼得·肖尔（Peter Shor）就提倡了“量子纠错”的见解，其中枢念念想便是将多个对外界打扰尽头敏锐的物理量子比特，编码成一个相配可靠的“逻辑量子比特”，从而终了关于信息的编码保护。
这么一来，科学家们就不错使用其中的一些物理量子比特来识别这个“逻辑量子比特”的举座景色，从而决定选定合适的决策来蜕变发生的运算荒谬。
需要补充阐发的是，“逻辑量子比特”是一种详尽的物理见解，它由多个协同责任的物理量子比特组成，巧合通过编码和荒谬蜕变等本领，终了对量子信息的保护。因此，“逻辑量子比特”的运算性能要优于物理量子比特，被觉得是简直实用化的量子比特。
就像“把大象装雪柜里”一样，“量子纠错”决策一样也不错领会为以下 3 个措施：
1
“德比的细节会决定胜负，但是我们这样的球队不该在2-0领先的情况下被逆转。必须称赞米兰，他们踢得非常棒，我们踢得也不错，但也直到某一时刻为止，我们会好好分析。”
“我一直相信自己能够提供帮助。我对无法参加与尤文的比赛感到失望，但那时我还没有准备好。我为这场比赛付出了很多努力。获胜是一种巨大的情感。在这里待久的人知道赢得冠军是多么不可思议。现在年轻人也知道赢得一些东西意味着什么。”
量子编码
将本来单个量子比特的量子信息编码到多个物理量子比特中，从而组成一个“逻辑量子比特”。这么作念的目的是，即使部分物理量子比特发生荒谬，通盘这个词“逻辑量子比特”的量子信息仍然不错被保留；
2
量子荒谬检测
只对其中的一些物理量子比特进行测量，从而识别到荒谬发生的位置和类型，而不破损“逻辑量子比特”中保存的量子信息；
3
量子荒谬蜕变
笔据检测出的荒谬，科学家们会选定特定的“量子纠错”算法来保证荒谬被灵验地蜕变，从而裁减举座的运算荒谬率。
在盼望情况下，“量子纠错”决策中所波及的物理量子比特越多，那么这个“逻辑量子比特”就愈加可靠，通盘这个词的运算荒谬率也会随之裁减。
关联词，盼望很好意思好，履行却很“骨感”。
由于物理量子比特本人也存在一定的荒谬率，何况受限于“量子操控”的精度，在实质的大限度“量子纠错”经由中，极有可能出现“越纠越错”的喧阗情况。
因此，要想让“逻辑量子比特”的阐扬优于物理量子比特，这就需要物理量子比特的荒谬率低于一个特定的阈值。独一这么，“量子纠错”决策才气从“越纠越错”，转变为“越纠越好”的盼望主张。
量子纠错的“急前锋”
——超导量子狡计
在厚爱先容怎样进行“量子纠错”之前，不妨让咱们先追想一下这位老到的老一又友——超导量子狡计。
浅薄而言，超导量子狡计的中枢元器件是约瑟夫森结（Josephson junction），它带来的非线性特征巧合让其中的某些特定能级，编码成为物理量子比特，从而组成超导量子狡计的基本运算单位。与此同期，要想保握约瑟夫森结的灵验责任，就需要将超导量子狡计系统置于零下 273.12℃ 或更低的极低温环境中早先。
那么，超导量子狡计又是具有哪些专有的上风，彩娱乐（中国）官方网站从而成为“量子纠错”中的“急前锋”呢？
领先，超导量子狡计决策与现今主流的集成电路工艺相兼容，具有研制周期短和高度的可膨胀性等上风。因此，科学家们不错在超导量子狡计系统中制备出豪阔多的物理量子比特，从而沸腾量子纠错所需的限度化需求；
其次，跟着工艺水平的朝上和操控才气的升迁，超导量子狡计的准确度仍是得到赫然的升迁。如今，超导量子狡计决策中的单量子比特门的荒谬率仍是低于 0.092%，何况双量子比特门的最高保真度齐不错超越 99%，从而沸腾量子纠错所需的精准物理量子比特的要求。
恰是凭借着以上两个上风，超导量子狡计被觉得是终了“量子纠错”的盼望平台，何况在“量子纠错”界限中大展武艺。
量子纠错的“里程碑”——
谷歌Willow量子狡计芯片
早在 2019 年，谷歌量子东谈主工智能的商讨团队就告捷研制出具有 53 个量子比特的超导量子狡计芯片“悬铃木（Sycamore）”，何况声称终澄澈“量子优厚性”，这被视为是量子狡计发展史的紧迫时刻。
2019年，谷歌研制出的超导量子狡计芯片“悬铃木（Sycamore）”。
图片开端：参考文件[3]
相较于上一代的超导量子狡计芯片“悬铃木（Sycamore）”，全新的Willow 超导量子狡计芯片不仅具备了前者的通盘优点，更是在量子比特的限度以及性能方面得到了赫然的升迁。
具体而言，Willow 超导量子狡计芯片具有高达 105 个超导量子比特，这接近于上一代量子狡计芯片的两倍。更紧迫的是，Willow 超导量子狡计芯片中的量子比特荒谬率得到赫然的扼制，其中单量子比特门的平均荒谬率仅有 0.035%，而双量子比特门的平均荒谬率也独一 0.33%。这意味着，这款全新的量子狡计芯片尽头合乎用于“量子纠错”，何况有望终了大限度的膨胀以走向实质的运用。
商讨放荡标明，跟着超导量子比特数量的加多，Willow 超导量子狡计芯片的运算荒谬率还呈现出指数级的裁减，也便是终澄澈所谓的“越纠越对”。这绚烂着，Willow 超导量子狡计芯片是环球首个在加多量子比特数量的同期巧合裁减运算荒谬率的量子狡计系统，这也被视为“量子纠错”的里程碑事件。
2024年12月，谷歌研制出的超导量子狡计芯片“柳木（Willow）”。
图片开端：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，来自中国科学本领大学的商讨团队也告捷研制出了全新的“祖冲之三号”超导量子狡计芯片，其商讨恶果以《Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor（具有 105 个量子比特的祖冲之 3.0 量子处理器以成立量子狡计上风的新标杆）》为题，仍是上传至预印本文库 arXiv上。
商讨放荡标明，“祖冲之三号”超导量子狡计芯片一样也具有高达 105 个超导量子比特，在多样性能谋划上与 Willow 超导量子狡计芯片旗饱读十分。面前，该商讨团队正在基于“祖冲之三号”超导量子狡计芯片开展有关测试责任，为终了大限度的“量子纠错”和“量子比特操控”铺平谈路。
2024年12月，中国科学本领大学的商讨团队也告捷研制出了全新的“祖冲之三号”超导量子狡计芯片。图片开端：中国科大新闻网
其实，在量子狡计这个战术界限的海外竞争中，中国力量从未缺席。
早在 2021 年，来自中国科学本领大学的商讨团队就研制出早期的国产超导量子狡计芯片“祖冲之号”，何况领有 62 个超导量子比特，一样也终澄澈“量子优厚性”，这被觉得是中国量子狡计发展史的紧迫时刻。有关商讨恶果以《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，发表于海外顶尖学术期刊《Science》上。
随后在 2022 年，该商讨团队在“祖冲之号”的升级版“祖冲之二号”超导量子狡计芯片上，终澄澈一种由 17 个量子比特组成的纠错名义码，初次终了名义码的疏导纠错。这项商讨初次解释了超导量子狡计不错使用名义码进行疏导量子纠错的可行性，有关商讨恶果以《Realization of an Error-Correcting Surface Code with Superconducting Qubits（终了超导量子比特纠错名义码）》为题，发表于顶尖物理学期刊《Physical Review Letters》上。
而在 2023 年，来自南边科技大学的商讨团队在超导量子狡计的“量子纠错”商讨中一样得回冲突性的进展。该商讨团队选定及时疏导的“量子纠错”决策，蔓延了量子信息的存储时代，在海外上初次超越盈亏均衡点，展示了“量子纠错”的广宽实用价值。有关商讨恶果以《Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit（用闹翻变量编码的逻辑量子比特来超越盈亏均衡点）》为题，发表于海外顶尖学术期刊《Nature》上。
结语
说七说八，量子狡计当作量子力学与信息科学相结合的交叉界限，是量子力学的最新发展地方之一，被觉得是“第二次量子转变”的紧迫绚烂。
现时，量子狡计处于科技攻关和海外竞争的重要节点，具有首要的科学真理和战术价值，仍是眩惑了环球主要科技强国的庸碌柔软，何况显现出一多数生意科技巨头和顶尖的量子商讨机构。其中，以超导量子狡计系统和离子阱量子狡计系统为代表的两大物理终了决策，被科学界觉得是终了量子狡计的主流本证据线。不错说，面前正处于“第二次量子转变”的清早期间，海外竞争左右加重。
参考文件
[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.
[4]Gao D, Fan D, Zha C, et al. Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor[J]. arxiv preprint arxiv:2412.11924, 2024.
[5]Gong M, Wang S, Zha C, et al. Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor[J]. Science, 2021, 372(6545): 948-952.
[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.
研究制作
出品丨科普中国
作家丨栾春阳 国防科技大学理学院，吴伟 国防科技大学理学院，王雨桐 清华大学物理学博士
监制丨中国科普博览
责编丨董娜娜
审校丨徐来 林林