谷歌量子 AI 展示高效纠错新方法，威洛芯片错误率降低 40 倍
实现无错运行是量子计算领域面临的核心挑战之一。近日，谷歌量子 AI（Google Quantum AI）的研究团队公布了一项新进展，展示了一种更为高效的量子纠错方法。这一突破表明，未来几年内问世的小型量子计算机可能具备比预期更强的实际影响力。
量子计算机能够执行传统计算机无法完成的数学运算，这使其在解决特定复杂问题（如某些密码学难题）方面具有独特优势。在这些运算中，“非克利福德门”（Non-Clifford gates）至关重要，它们是超越常规计算能力的算法核心组件。
然而，量子比特极易出错，必须通过编码形成“逻辑量子比特”才能进行可靠计算。以纠错方式执行非克利福德门需要消耗大量物理量子比特，这意味着构建足够大的量子计算机是一项巨大的工程挑战。
谷歌量子 AI 研究员艾玛·罗森菲尔德（Emma Rosenfeld）及其同事利用公司的“威洛”（Willow）量子计算机证明了纠错过程可以显著优化。实验数据显示，新技术最终将威洛的错误率降低了 40 倍。
在执行基于纠错的非克利福德运算前，量子比特必须处于特定的量子状态。罗森菲尔德指出，此前创造这些状态一直是量子计算的瓶颈，因为它耗费了大量的量子比特资源和时间。
2024 年，罗森菲尔德的同事提出了一种名为“魔力状态培养”（Magic State Distillation）的高效创建方法。该技术通过将许多不完美的量子比特反复组合和操纵，在一个更小的区域内“生长”出高质量的魔力状态，随后再执行纠错操作。
理论研究表明，魔力状态培养可使量子计算机在运行后续程序时所需的量子比特数量减少至预期的十分之一。此次新实验证实了该方法在实际应用中的有效性。
这并非首次通过改进魔力状态创建方法来降低量子计算机错误率。此前，基于离子阱技术的量子计算机也在实验中取得了类似进展。虽然威洛基于微小超导电路的量子比特实现了与过去实验相似的错误率，但罗森菲尔德表示，其工作速度更快，有望缩短量子计算机的整体运行时间。
加州大学戴维斯分校的 Isaac Kim 评价称：“这是谷歌开创的新思路的一个令人印象深刻的演示。”瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的 Dominik Hangleiter 补充道，这项研究展示了通用量子计算所需的关键构建块，可能在构建拥有数百个逻辑量子比特的中等规模量子计算机方面带来“变革”。
伦敦帝国理工学院的 Zhenyu Cai 认为，尽管该实验是向前迈出的重要一步，但仍存在局限。Isaac Kim 指出，在实验中，威洛仅在计算运行的一小部分时间内产生了高质量的魔力状态：只有 8% 的计算过程生成了可进一步使用的高质量状态。
对此，罗森菲尔德回应称，随着技术完善和硬件改进，这一比例预计会增加。她强调，当前的低成功率部分归因于团队采用的严格对比测试技术，这在未来的实际应用中可能不会如此严苛。“这是首次证明这些概念有效，但我们还没有完成。”
期刊参考：
科学 DOI: 10.1126/science.aee7961
