“一个真正了不起的突破”：谷歌的新量子芯片卷出了精度里程碑

　　纠错技术表明，量子计算机将随着体积的增大而变得更加精确。

　　

谷歌的科学家们造出了一个很厉害的芯片，能够展示第一个“低于阈值”的量子计算——这是寻求建造足够精确的有用量子计算机的关键里程碑。这个芯片是量子计算机的一部分，它能帮助量子计算机变得更准确，更靠谱。量子计算机是一种超级强大的计算机，它们用一种特殊的方式处理信息，这种方式比我们普通电脑的速度快得多。

量子计算机因其独特的处理信息方式，拥有巨大的潜力，能够在多个领域发挥重要作用。以下是一些量子计算机可能的应用领域：

• 密码学和网络安全： 量子计算机能够破解许多现代加密算法，这对于网络安全是一个巨大的挑战。同时，它们也可以用来开发新的量子加密技术，提高通信的安全性。

• 药物开发： 量子计算机能够模拟分子和化学反应，这对于新药的开发和材料科学至关重要。它们可以帮助科学家更准确地预测药物的效果和副作用。

• 优化问题： 量子计算机在解决复杂的优化问题上具有潜在优势，比如物流、金融投资组合管理和供应链管理等领域的问题。

• 人工智能和机器学习： 量子计算机可以加速机器学习算法的训练过程，提高数据处理的效率，这对于人工智能的发展具有重要意义。

• 气候模拟： 量子计算机能够更精确地模拟气候模型，帮助科学家更好地理解和预测气候变化。

• 材料科学： 它们可以用于设计新材料，比如超导体、电池材料等，这对于能源存储和电力传输等领域至关重要。

• 量子物理和基础科学： 量子计算机可以用来模拟量子系统，这对于理解量子物理现象和探索新物理理论具有重要意义。

• 金融建模： 在金融领域，量子计算机可以用于风险分析、高频交易和复杂的金融衍生品定价。

• 搜索和数据库： 量子计算机可以用于开发更高效的搜索算法，这可能会改变我们搜索信息和处理大数据的方式。

• 交通规划： 量子计算机可以帮助优化复杂的交通网络，减少拥堵，提高交通效率。

现在的问题在于，量子计算机很容易出错，而且对于大多数实际用途来说，它们还太小了。但是谷歌的这个新芯片，叫做Willow，有105个量子位，它能帮助量子计算机减少错误。这个进步非常重要，因为它意味着量子计算机可以变得更实用，也许在未来，它们能解决连最快的超级计算机也解决不了的问题。

12月9日发表在《自然》杂志上的这项实验表明，通过正确的纠错技术（量子纠错技术），量子计算机可以随着规模的扩大而提高计算的准确性——这种提高的速度超过了一个关键的阈值。这就像是给量子计算机穿上了一层保护衣，让它在处理信息的时候不容易出错。目前的量子计算机对于大多数商业或科学应用来说太小，太容易出错。

量子计算机以代表0或1的状态对信息进行编码——就像普通计算机的比特一样——但也可以使用几个0和1的无限可能组合。然而，这些量子信息状态是出了名的微妙，谷歌的物理学家Julian Kelly解释说。为了让量子计算机进行有用的计算，“你需要量子信息，你需要保护它不受环境的影响——也不受我们自己的影响，因为我们在操纵它。”

为了实现这种保护——没有这种保护，量子计算将无法起步——理论家们从1995年开始开发巧妙的方案，将一个量子比特的信息传播到多个“物理”量子比特上。由此产生的“逻辑量子位”对噪声具有弹性——至少在纸面上是这样。为了使这种被称为量子纠错的技术在实践中发挥作用，有必要证明这种在多个量子位上传播信息的方法可以有效地降低错误率。

在过去的几年里，包括IBM和亚马逊的AWS在内的几家公司和学术团体已经证明，纠错可以在准确性方面产生微小的提高。谷歌在2023年初发表了一项研究结果，该研究在Sycamore量子处理器中使用了49个量子比特，该处理器在超导电路中对每个物理量子比特进行编码。

名为Willow的新芯片是该技术的更大改进版本，具有105个物理量子位。它是在谷歌于2021年在加州圣巴巴拉的量子计算园区建立的一个制造实验室中开发的。

研究人员表明，它可以在大约5分钟内完成世界上最大的超级计算机估计需要1025年才能完成的任务。这是证明量子计算机比经典计算机更有优势的最新竞赛。

而且，通过在Willow中创建逻辑量子位，谷歌团队已经证明，逻辑量子位大小的每一次连续增加都会将错误率降低一半。

这个成果让很多人都很兴奋，因为它显示了量子计算机的潜力。

谷歌总部的研究科学家Michael Newman在宣布这一壮举的新闻发布会上说：“这是我们30年来的目标。”谷歌量子计算部门的首席运营官Charina Chou表示，这一成就意味着，到本十年结束时，量子计算机可以实现即使是最强大的超级计算机也无法实现的科学发现。Newman补充说：“这就是我们首先建造这些东西的原因。”

上海中国科学技术大学的量子物理学家Chao-Yang Lu说：“这项工作显示了一个真正了不起的技术突破。”

荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）量子纠错专家Barbara Terhal说：“这是一个非常令人印象深刻的证据，证明量子纠错完全低于阈值。”

虽然现在量子计算机还不是很完美，但是谷歌的这个新进展让我们看到了希望，也许不久的将来，我们就能拥有既强大又准确的量子计算机了。不过，科学家们也提醒说，要让量子计算机真正实用，还有很多挑战需要克服，比如怎么让量子计算机的各个部分更好地协同工作。除了构建健壮的逻辑量子位之外，研究人员还需要将许多逻辑量子位连接在一起，以便它们可以共享和交换量子态。

研究小组的结果表明，这种改进速度是可持续的，它将使未来的量子芯片达到每1000万步出错一次的速度。研究人员普遍认为，这种精度水平对于使量子计算机具有商业价值至关重要。“纠错是量子计算的终极目标，这是每个人都想象使用的量子计算机。”

该公司估计，要实现如此低的错误率，每个逻辑量子位需要由大约1000个物理量子位组成——尽管纠错技术的进一步改进可能会降低这种开销，纽曼说，可能低至200个量子位。IBM和其他实验室的研究人员也在需要更少量子位的方案上取得了巨大进展。Lukin说，这表明量子计算领域正处于关键时刻。“这真是一个激动人心的时刻。”

帕萨迪纳加州理工学院的理论物理学家John Preskill帮助发展了量子纠错理论，他说，证明纠错方案有助于保存量子比特中的信息是重要的一步，但纠正计算错误将更为重要。“我们想做受保护的量子比特操作，而不仅仅是内存，”Preskill说，他也与AWS量子计算实验合作。