大规模量子计算的最大障碍之一是该技术容易出错的性质。本周，谷歌宣布在量子纠错方面取得重大突破，这可能会让量子计算机能够解决现实世界的问题。
量子计算有望通过利用量子力学的奇怪效应来解决经典计算机之外的问题。但要做到这一点，我们需要由数十万甚至数百万个量子位（位的量子等价物）组成的处理器。
如今的设备刚刚突破1,000 个量子位大关，还有很长的路要走，但更重要的是，它们的量子位非常不可靠。这些设备非常容易出错，可能会在算法运行之前很久就使任何计算尝试脱轨。
这就是为什么纠错近年来一直是量子计算公司的主要关注点。现在，谷歌周一推出的新型 Willow 量子处理器已经跨越了一个关键阈值，这表明随着该公司的设备变得越来越大，它们抑制错误的能力将呈指数级提高。
谷歌量子人工智能创始人兼负责人哈特穆特·内文（Hartmut Neven）在博客文章中写道：“这是迄今为止构建的可扩展逻辑量子位最令人信服的原型。” “这是一个强有力的迹象，表明有用的、非常大的量子计算机确实可以建造出来。”
量子纠错方案通常通过将计算所需的信息分散到多个量子位来发挥作用。这为系统引入了冗余，因此即使底层量子位之一出现错误，信息也可以恢复。使用这种方法，可以组合许多“物理量子位”来创建单个“逻辑量子位”。
一般来说，用于创建每个逻辑量子位的物理量子位越多，它的抗错误能力就越强。但这仅在单个量子位的错误率低于某个阈值时才成立。否则，添加更多错误量子位所增加的错误机会会超过冗余的好处。
虽然其他小组已经证明纠错技术可以带来一定程度的准确性改进，但谷歌的结果是明确的。在《自然》杂志报道的一系列实验中，他们将逻辑量子位编码成越来越大的阵列（从三乘三的网格开始），并发现每次增加尺寸时，错误率都会减半。至关重要的是，该团队发现他们创建的逻辑量子位的寿命是组成它们的物理量子位的两倍多。
“我们在 Willow 中使用的量子位越多，错误就越少，系统的量子性就越大，”Neven 写道。
这是谷歌用于构建处理器的底层超导量子位技术的重大改进使之成为可能。在该公司之前的 Sycamore 处理器中，每个物理量子位的平均运行寿命约为 20 微秒。但得益于新的制造技术和电路优化，Willow 的量子比特将这一速度提高了两倍多，达到 68 微秒。
该公司的研究人员不仅展示了该芯片的纠错能力，还展示了其速度。他们在五分钟内完成了一项计算，而世界上第二快的超级计算机 Frontier 则需要 10 亿年才能完成。然而，他们使用的测试是一种人为的测试，几乎没有实际用途。量子计算机只需执行没有任何有用目的的随机电路，然后经典计算机必须尝试并模拟它。
对于像谷歌这样的公司来说，最大的考验是从概念验证到解决商业相关问题。新的纠错结果是朝着正确方向迈出的一大步，但还有很长的路要走。
该公司量子硬件部门的负责人朱利安·凯利（Julian Kelly）告诉《自然》杂志，解决实际挑战可能需要大约一千万步中的错误率。要实现这一目标，每个逻辑量子位需要由大约 1,000 个物理量子位组成，尽管纠错方案的突破可能会将这一数字减少数百个量子位。
更重要的是，谷歌的演示只是将信息存储在其逻辑量子位中，而不是使用它们来进行计算。杜克大学的肯尼思·布朗 (Kenneth Brown) 在 9 月份接受《麻省理工科技评论》采访时指出，当该研究的预印本发布到 arXiv 上时，进行实际计算可能需要量子计算机执行大约 10 亿次逻辑运算。
因此，尽管取得了令人印象深刻的成果，但要实现可以做任何有用事情的大规模量子计算机，还有很长的路要走。然而，谷歌似乎已经达到了一个重要的拐点，这表明这一愿景现在已经可以实现。
图片来源：谷歌