谷歌实现量子计算纠错新进展：更大比特数，更低错误率

近日，来自谷歌的量子团队在arXiv预印本库刊中刊登了最新的研究成果——他们基于逻辑量子比特方法，实现了一种由101个量子比特组成的码距为7的纠错表面码，在临界阈值之内进一步降低了错误率至10^-10量级。

本研究中，科学家们在量子计算机上比较了码距为5和7的低于临界阈值的纠错表面码。结果表明，当码距增加后，逻辑错误率被抑制了 Λ = 2.14 ± 0.02 倍。该研究实现了码距从5到7的跨越，并证明了码距增加后的错误率抑制效果更好。基于这一结果，未来随着规模与性能的不断扩展，有望实现大规模容错量子计算。

▲ 图片来源：https://arxiv.org/2408.13687

论文作者列表显示，超过200名研究人员参与了此项工作，他们分别来自13个顶尖院校和研究机构，这些机构几乎覆盖了欧美地区超导量子计算领域的所有关键研究力量。

量子纠错：量子比特越多，错误率越低

量子纠错通过把多个物理量子比特编码成一个逻辑量子比特的方法对信息进行编码。量子计算机可以使用一些物理量子比特来检查逻辑量子比特的状况并纠正错误。物理量子比特越多，就越能降低错误发生率。这一方法也被认为是大型量子计算机降低错误率来进行计算的唯一方法。

然而，即便有量子纠错码的帮助，实现10^-10量级的出错率仍是困难的，这是因为逻辑量子比特的设计大大增加了对物理量子比特数量的需求，而且要想逻辑量子比特表现得比物理量子比特更好，本身要求物理量子比特的出错率低于一个特定的值，否则只会“越纠越错”。

在大规模的量子纠错中，这个从“越纠越错”到“越纠越好”的特殊转变点被称为“阈值”，它指的是仅当物理量子比特的出错率低于这个值的时候，我们才能通过不断增加纠错码的码距来指数级地压缩逻辑量子比特的出错率。

表面码是一种用于量子纠错的编码方式。2022年，中国科学技术大学潘建伟团队在“祖冲之2.1”超导量子处理器上实验实现了一种由17个量子比特组成的码距为3的纠错表面码，首次实现表面码的重复纠错。这也是“祖冲之号”量子计算机首次实现纠错。

前沿量子计算成果回顾

谷歌

2019年，谷歌的量子计算团队宣布在其研发的53个比特的量子计算机“悬铃木”上实现了“量子优越性”，创下了首个里程碑。

2020年，谷歌发布了一份包含了六个关键里程碑的量子计算路线图。最后一个里程碑M6是实现100万个物理量子比特组成的量子计算机，并将逻辑量子比特错误率控制在10^-13以内，到那时便可以实现量子计算机商业应用的价值。

目前最新成果已逐步从M2向M3过渡，对推进实现M3有重要作用。

▲ 谷歌发布的量子计算路线图（来源：Quantum AI）

2023年，谷歌团队利用逻辑量子比特方法，在第三代“悬铃木”量子处理器上实现了基于49个量子比特的码距为5的表面码，并成功证明了较大的表面码能够降低计算错误率。

中国

2021年，来自中国科学技术大学潘建伟团队构建了当时国际上量子比特数目最多的62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”，成功实现了超导体系“量子计算优越性”。“祖冲之号”超越了之前谷歌公司的“悬铃木”53个可控比特量子计算机保持的记录，对量子模拟、量子搜索算法以及通用量子计算都具有极其重要的意义。

▲ “祖冲之号”量子计算原型机

“祖冲之号”的进阶版“祖冲之二号”实现了66个数据比特、110个耦合比特、11路读取的高密度集成，最大态空间维度达到了10^19，各个可控比特之间的耦合强度实现了快速、精确可调，提高了量子并行计算的保真度，在处理特定问题时较目前最快的超级计算机快一千万倍，计算复杂度较“悬铃木”提高了近百万倍。

2022年，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志、陆朝阳等在《物理评论快报》发表名为“实现超导量子比特纠错表面码”（Realization of an Error-Correcting Surface Code with Superconducting Qubits）的论文，介绍了研究团队在“祖冲之2.1”超导量子处理器上实验实现的一种由17个量子比特组成的码距为3的纠错表面码，首次实现表面码的重复纠错。这项研究首次证明了使用表面码进行重复量子纠错的可行性，为未来实现更强大的大规模量子纠错提供了指导。

2023年，在俞大鹏院士的带领下，依托南方科技大学建设的深圳十大基础研究机构——深圳量子科学与工程研究院、深圳国际量子研究院助理研究员徐源等联合福州大学郑仕标教授、清华大学孙麓岩教授等团队，在基于超导量子线路系统的量子纠错领域取得突破性实验进展。联合研究团队通过实时重复的量子纠错技术延长了量子信息的存储时间，在国际上首次超越盈亏平衡点，展示了量子纠错优势。这一里程碑式的突破代表了迈向实用化可扩展通用量子计算的关键一步，相关研究成果以“Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit”为题于3月23日在线发表在《自然》杂志上。

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