果如其言变态另类，超导量子打算的连络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）的连络团队，告成研制了全新一代的超导量子打算芯片“柳木（Willow）”，眩惑了学术界和工业界的豪放温煦。
关连连络着力以《Quantum error correction below the surface code threshold（名义码阈值以下的量子纠错）》为题，在线发表于国外顶尖学术期刊《Nature》上。Willow 超导量子打算芯片的降生，意味着这个也曾困扰科学家近 30 年的“量子纠错”问题，终于迎来了告成的晨曦！
全新一代的超导量子打算芯片“柳木（Willow）”的连络着力。
图片起原：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超导量子打算芯片的告成研制为何能让科学家们如斯振作呢？
就请诸位读者保抓意思心，来和咱们共同揭开超导量子打算芯片的机密面纱吧！
量子打算的“卡脖子”难题
——量子纠错
运算失实是打算中不成幸免的问题，在量子打算中更为彰着。
这是因为，量子打算的基本运算单位——量子比特，对外界环境的噪声和侵犯十分明锐。因此，量子比特在本色的量子打算经由中很容易发生运算失实，从而难以输出踏实可靠的运算限制。也即是说，天然量子打算在特定任务的处理上具有超越经典打算机的坚决并行算力，关联词量子打算机很容易出错，咫尺仍然处于“带噪声的中等范围量子（NISQ）”阶段。
为了搞定量子打算机容易出现运算失实的问题，科学家们建议了“量子纠错”的主张，其主要办法即是使得量子打算大要在不窒碍打算经由的前提下，识别和校阅本色发生的运算失实，从而输出踏实可靠的运算限制。因此，“量子纠错”被以为是构建委果实用化量子打算机的必要条款，同期亦然量子打算现今靠近的“卡脖子”难题。
其实早在 1995 年，物理学家彼得·肖尔（Peter Shor）就建议了“量子纠错”的主张，其中枢念念想即是将多个对外界侵犯特等明锐的物理量子比特，编码成一个异常可靠的“逻辑量子比特”，从而好意思满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”的合座气象，从而决定摄取合适的决议来校阅发生的运算失实。
需要补充线路的是，“逻辑量子比特”是一种空洞的物理主张，它由多个协同使命的物理量子比特组成，大要通过编码和失实校阅等工夫，好意思满对量子信息的保护。因此，“逻辑量子比特”的运算性能要优于物理量子比特，被以为是委果实用化的量子比特。
就像“把大象装雪柜里”一样，“量子纠错”决议不异也不错剖析为以下 3 个关节：
1
量子编码
将蓝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失实，通盘“逻辑量子比特”的量子信息仍然不错被保留；
2
量子失实检测
只对其中的一些物理量子比特进行测量，从而识别到失实发生的位置和类型，而不窒碍“逻辑量子比特”中保存的量子信息；
3
量子失实校阅
凭证检测出的失实，科学家们会摄取特定的“量子纠错”算法来保证失实被有用地校阅变态另类，从而裁减合座的运算失实率。
在遐想情况下，“量子纠错”决议中所触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，通盘的运算失实率也会随之裁减。
关联词，遐想很好意思好，践诺却很“骨感”。
由于物理量子比特本人也存在一定的失实率，而且受限于“量子操控”的精度，在本色的大范围“量子纠错”经由中，极有可能出现“越纠越错”的无语情况。
因此，要想让“逻辑量子比特”的发扬优于物理量子比特，这就需要物理量子比特的失实率低于一个特定的阈值。只消这么，“量子纠错”决议才能从“越纠越错”，转换为“越纠越好”的遐想办法。
量子纠错的“急时尚”
——超导量子打算
在精良先容怎样进行“量子纠错”之前，不妨让咱们先回想一下这位熟识的老一又友——超导量子打算。
浅近而言，超导量子打算的中枢元器件是约瑟夫森结（Josephson junction），它带来的非线性特征大要让其中的某些特定能级，编码成为物理量子比特，从而组成超导量子打算的基本运算单位。与此同期，要想保抓约瑟夫森结的有用使命，就需要将超导量子打算系统置于零下 273.12℃ 或更低的极低温环境中启动。
那么，超导量子打算又是具有哪些私有的上风，从而成为“量子纠错”中的“急时尚”呢？
领先，超导量子打算决议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扩张性等上风。因此，科学家们不错在超导量子打算系统中制备出实足多的物理量子比特，从而称心量子纠错所需的范围化需求；
其次，跟着工艺水平的朝上和操控才气的进步，超导量子打算的准确度还是得到彰着的进步。如今，超导量子打算决议中的单量子比特门的失实率还是低于 0.092%，而且双量子比特门的最高保真度皆不错杰出 99%，从而称心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，超导量子打算被以为是好意思满“量子纠错”的遐想平台，而且在“量子纠错”界限中大展本事。
量子纠错的“里程碑”——
谷歌Willow量子打算芯片
早在 2019 年，谷歌量子东谈主工智能的连络团队就告成研制出具有 53 个量子比特的超导量子打算芯片“悬铃木（Sycamore）”，而且声称好意思满了“量子优胜性”，这被视为是量子打算发展史的贫乏时刻。
2019年，谷歌研制出的超导量子打算芯片“悬铃木（Sycamore）”。
图片起原：参考文件[3]
相较于上一代的超导量子打算芯片“悬铃木（Sycamore）”，全新的Willow 超导量子打算芯片不仅具备了前者的系数优点，更是在量子比特的范围以及性能方面得到了彰着的进步。
具体而言，Willow 超导量子打算芯片具有高达 105 个超导量子比特，这接近于上一代量子打算芯片的两倍。更贫乏的是，Willow 超导量子打算芯片中的量子比特失实率得到彰着的扼制，其中单量子比特门的平均失实率仅有 0.035%，而双量子比特门的平均失实率也只消 0.33%。这意味着，这款全新的量子打算芯片特等妥当用于“量子纠错”，而且有望好意思满大范围的扩张以走向本色的运用。
连络限制标明，跟着超导量子比特数量的增多，Willow 超导量子打算芯片的运算失实率还呈现出指数级的裁减，也即是好意思满了所谓的“越纠越对”。这象征着，Willow 超导量子打算芯片是人人首个在增多量子比特数量的同期大要裁减运算失实率的量子打算系统，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打算芯片“柳木（Willow）”。
图片起原：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，来自中国科学工夫大学的连络团队也告成研制出了全新的“祖冲之三号”超导量子打算芯片，其连络着力以《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 量子处理器以修复量子打算上风的新标杆）》为题，还是上传至预印本文库 arXiv上。
连络限制标明，“祖冲之三号”超导量子打算芯片不异也具有高达 105 个超导量子比特，在多样性能目的上与 Willow 超导量子打算芯片旗饱读相配。咫尺，该连络团队正在基于“祖冲之三号”超导量子打算芯片开展关连测试使命，为好意思满大范围的“量子纠错”和“量子比特操控”铺平谈路。
2024年12月，中国科学工夫大学的连络团队也告成研制出了全新的“祖冲之三号”超导量子打算芯片。图片起原：中国科大新闻网
其实，在量子打算这个战术界限的国外竞争中，中国力量从未缺席。
早在 2021 年，来自中国科学工夫大学的连络团队就研制出早期的国产超导量子打算芯片“祖冲之号”，而且领有 62 个超导量子比特，不异也好意思满了“量子优胜性”，这被以为是中国量子打算发展史的贫乏时刻。关连连络着力以《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，发表于国外顶尖学术期刊《Science》上。
随后在 2022 年，该连络团队在“祖冲之号”的升级版“祖冲之二号”超导量子打算芯片上，好意思满了一种由 17 个量子比特组成的纠错名义码，初次好意思满名义码的相易纠错。这项连络初次讲授了超导量子打算不错使用名义码进行相易量子纠错的可行性，关连连络着力以《Realization of an Error-Correcting Surface Code with Superconducting Qubits（好意思满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连络团队在超导量子打算的“量子纠错”连络中不异获取碎裂性的进展。该连络团队摄取及时相易的“量子纠错”决议，延伸了量子信息的存储时期，在国外上初次超越盈亏均衡点，展示了“量子纠错”的强大实用价值。关连连络着力以《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，发表于国外顶尖学术期刊《Nature》上。
结语
要而论之，量子打手脚为量子力学与信息科学相集中的交叉界限，是量子力学的最新发展办法之一，被以为是“第二次量子转变”的贫乏象征。
面前，量子打算处于科技攻关和国外竞争的过失节点，具有要紧的科学真理和战术价值，还是眩惑了人人主要科技强国的豪放温煦，而且默契出一边远交易科技巨头和顶尖的量子连络机构。其中，以超导量子打算系统和离子阱量子打算系统为代表的两大物理好意思满决议，被科学界以为是好意思满量子打算的主流工夫阶梯。不错说，咫尺正处于“第二次量子转变”的早晨时候，国外竞争束缚加重。
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.
拳交扩张[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.
筹划制作
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