不出所料，超導量子計算的研究領域 又雙叒 有大新聞啦！
就在 2024 年 12 月 9 日， 來自谷歌量子人工智慧（Google Quantum AI）的研究團隊，成功研制了全新一代的超導量子計算芯片「柳木（Willow）」， 吸引了學術界和工業界的廣泛關註。
相關研究成果以【Quantum error correction below the surface code threshold（表面碼閾值以下的量子糾錯）】為題，線上發表於國際頂尖學術期刊【Nature】上。Willow 超導量子計算芯片的誕生，意味著這個曾經困擾科學家近 30 年的「量子糾錯」問題，終於迎來了成功的曙光！
全新一代的超導量子計算芯片「柳木（Willow）」的研究成果。
圖片來源：參考文獻[1]
那麽，困擾科學家如此之久的「量子糾錯」問題到底是什麽？Willow超導量子計算芯片的成功研制為何能讓科學家們如此興奮呢？
就請各位讀者保持好奇心，來和我們共同揭開超導量子計算芯片的神秘面紗吧！
量子計算的「卡脖子」難題
——量子糾錯
運算錯誤是計算中不可避免的問題，在量子計算中更為明顯。
這是因為，量子計算的基本運算單元——量子位元，對外界環境的雜訊和幹擾十分敏感。因此，量子位元在實際的量子計算過程中很容易發生運算錯誤，從而難以輸出穩定可靠的運算結果。也就是說， 雖然量子計算在特定任務的處理上具有超越經典電腦的強大並列算力，但是量子電腦很容易出錯，目前仍然處於「帶雜訊的中等規模量子（NISQ）」階段。
為了解決量子電腦容易出現運算錯誤的問題，科學家們提出了「量子糾錯」的概念，其主要目標就是使得量子計算能夠在不破壞計算過程的前提下，辨識和糾正實際發生的運算錯誤，從而輸出穩定可靠的運算結果。因此， 「量子糾錯」被認為是構建真正實用化量子電腦的必要條件，同時也是量子計算現今面臨的「卡脖子」難題。
其實早在 1995 年，物理學家彼得·肖爾（ Peter Shor ）就提出了「量子糾錯」的概念，其核心思想就是將多個對外界幹擾特別敏感的物理量子位元，編碼成一個非常可靠的「邏輯量子位元」，從而實作對於資訊的編碼保護。
這樣一來，科學家們就可以使用其中的一些物理量子位元來辨識這個「邏輯量子位元」的整體狀態，從而決定采用合適的方案來糾正發生的運算錯誤。
需要補充說明的是，「邏輯量子位元」是一種抽象的物理概念，它由多個協同工作的物理量子位元組成，能夠透過編碼和錯誤糾正等技術，實作對量子資訊的保護。因此， 「邏輯量子位元」的運算效能要優於物理量子位元，被認為是真正實用化的量子位元。
就像「把大象裝冰箱裏」一樣，「量子糾錯」方案同樣也可以分解為以下 3 個步驟：
1
量子編碼
將原本單個量子位元的量子資訊編碼到多個物理量子位元中，從而構成一個「邏輯量子位元」。這樣做的目的是，即使部份物理量子位元發生錯誤，整個「邏輯量子位元」的量子資訊仍然可以被保留；
2
量子錯誤檢測
只對其中的一些物理量子位元進行測量，從而辨識到錯誤發生的位置和型別，而不破壞「邏輯量子位元」中保存的量子資訊；
3
量子錯誤糾正
根據檢測出的錯誤，科學家們會采用特定的「量子糾錯」演算法來保證錯誤被有效地糾正，從而降低整體的運算錯誤率。
在理想情況下，「量子糾錯」方案中所涉及的物理量子位元越多，那麽這個「邏輯量子位元」就更加可靠，整個的運算錯誤率也會隨之降低。
然而，理想很美好，現實卻很「骨感」。
由於物理量子位元本身也存在一定的錯誤率，並且受限於「量子操控」的精度，在實際的大規模「量子糾錯」過程中，極有可能出現「越糾越錯」的尷尬情況。
因此，要想讓「邏輯量子位元」的表現優於物理量子位元， 這就需要物理量子位元的錯誤率低於一個特定的閾值。 只有這樣，「量子糾錯」方案才能從「越糾越錯」，轉變為「越糾越好」的理想目標。
量子糾錯的「急先鋒」
——超導量子計算
在正式介紹如何進行「量子糾錯」之前，不妨讓我們先回顧一下這位熟悉的老朋友——超導量子計算。
簡單而言， 超導量子計算的核心元器件是約瑟夫森結（Josephson junction），它帶來的非線性特征能夠讓其中的某些特定能階，編碼成為物理量子位元，從而構成超導量子計算的基本運算單元。 與此同時，要想保持約瑟夫森結的有效工作，就需要將超導量子計算系統置於零下 273.12℃ 或更低的極低溫環境中執行。
那麽，超導量子計算又是具有哪些獨特的優勢，從而成為「量子糾錯」中的「急先鋒」呢？
首先，超導量子計算方案與現今主流的積體電路工藝相相容，具有研制周期短和高度的可延伸性等優勢。 因此，科學家們可以在超導量子計算系統中制備出足夠多的物理量子位元，從而滿足量子糾錯所需的規模化需求；
其次，隨著工藝水平的進步和操控能力的提升，超導量子計算的準確度已經得到明顯的提升。 如今，超導量子計算方案中的單量子位元門的錯誤率已經低於 0.092%，並且雙量子位元門的最高保真度都可以超過 99%，從而滿足量子糾錯所需的精確物理量子位元的要求。
正是憑借著以上兩個優勢，超導量子計算被認為是實作「量子糾錯」的理想平台，並且在「量子糾錯」領域中大展身手。
量子糾錯的「裏程碑」——
谷歌Willow量子計算芯片
早在 2019 年，谷歌量子人工智慧的研究團隊就成功研制出具有 53 個量子位元的超導量子計算芯片「懸鈴木（ Sycamore ）」，並且宣稱實作了「量子優越性」，這被視為是量子計算發展史的重要時刻。
2019年，谷歌研制出的超導量子計算芯片「懸鈴木（Sycamore）」。
圖片來源：參考文獻[3]
相較於上一代的超導量子計算芯片「懸鈴木（ Sycamore ）」，全新的Willow 超導量子計算芯片不僅具備了前者的所有優點，更是在量子位元的規模以及效能方面得到了明顯的提升。
具體而言，Willow 超導量子計算芯片具有高達 105 個超導量子位元，這接近於上一代量子計算芯片的兩倍。更重要的是，Willow 超導量子計算芯片中的量子位元錯誤率得到明顯的抑制，其中單量子位元門的平均錯誤率僅有 0.035%，而雙量子位元門的平均錯誤率也只有 0.33%。這意味著， 這款全新的量子計算芯片特別適合用於「量子糾錯」，並且有望實作大規模的擴充套件以走向實際的套用。
研究結果表明，隨著超導量子位元數目的增加，Willow 超導量子計算芯片的運算錯誤率還呈現出指數級的降低，也就是實作了所謂的「越糾越對」。這標誌著， Willow 超導量子計算芯片是全球第一個在增加量子位元數量的同時能夠降低運算錯誤率的量子計算系統， 這也被視為「量子糾錯」的裏程碑事件。
2024年12月，谷歌研制出的超導量子計算芯片「柳木（Willow）」。
圖片來源：Google Quantum AI
百舸爭流
——不曾缺席的中國力量
值得一提的是，就在 2024 年 12 月 17 日，來自中國科學技術大學的研究團隊也成功研制出了全新的「祖沖之三號」超導量子計算芯片，其研究成果以【Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor（具有 105 個量子位元的祖沖之 3.0 量子處理器以建立量子計算優勢的新標桿）】為題，已經上傳至預印本文庫 arXiv 上。
研究結果表明， 「祖沖之三號」超導量子計算芯片同樣也具有高達 105 個超導量子位元，在各種效能指標上與 Willow 超導量子計算芯片旗鼓相當。 目前，該研究團隊正在基於「祖沖之三號」超導量子計算芯片開展相關測試工作，為實作大規模的「量子糾錯」和「量子位元操控」鋪平道路。
2024年12月，中國科學技術大學的研究團隊也成功研制出了全新的「祖沖之三號」超導量子計算芯片。圖片來源：中國科大新聞網
其實，在量子計算這個戰略領域的國際競爭中，中國力量從未缺席。
早在 2021 年，來自中國科學技術大學的研究團隊就研制出早期的國產超導量子計算芯片「祖沖之號」，並且擁有 62 個超導量子位元，同樣也實作了「量子優越性」，這被認為是中國量子計算發展史的重要時刻。相關研究成果以【Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor（可編程的二維 62 個量子位元超導處理器上的量子行走）】為題，發表於國際頂尖學術期刊【Science】上。
隨後在 2022 年，該研究團隊在「祖沖之號」的升級版「祖沖之二號」超導量子計算芯片上，實作了一種由 17 個量子位元組成的糾錯表面碼，首次實作表面碼的重復糾錯。 這項研究首次證明了超導量子計算可以使用表面碼進行重復量子糾錯的可行性， 相關研究成果以【Realization of an Error-Correcting Surface Code with Superconducting Qubits（實作超導量子位元糾錯表面碼）】為題，發表於頂尖物理學期刊【Physical Review Letters】上。
而在 2023 年，來自南方科技大學的研究團隊在超導量子計算的「量子糾錯」研究中同樣取得突破性的進展。該研究團隊采用即時重復的「量子糾錯」方案，延長了量子資訊的儲存時間， 在國際上首次超越盈虧平衡點， 展示了「量子糾錯」的巨大實用價值。相關研究成果以【Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit（用離散變量編碼的邏輯量子位元來超越盈虧平衡點）】為題，發表於國際頂尖學術期刊【Nature】上。
結語
綜上所述，量子計算作為量子力學與資訊科學相結合的交叉領域，是量子力學的最新發展方向之一，被認為是「第二次量子革命」的重要標誌。
當前，量子計算處於科技攻關和國際競爭的關鍵節點，具有重大的科學意義和戰略價值，已經吸引了全球主要科技強國的廣泛關註，並且湧現出一大批商業科技巨頭和頂尖的量子研究機構。其中， 以超導量子計算系統和離子阱量子計算系統為代表的兩大物理實作方案，被科學界認為是實作量子計算的主流技術路線。 可以說，現在正處於「第二次量子革命」的黎明分時，國際競爭不斷加劇。
參考文獻
[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.
策劃制作
出品丨科普中國
作者丨欒春陽 國防科技大學理學院，吳偉 國防科技大學理學院，王雨桐 清華大學物理學博士
監制丨中國科普博覽
責編丨董娜娜
審校丨徐來 林林
