果不其然新金瓶梅什么时候上映，超导量子规划的询查领域又双叒有大新闻啦！

就在 2024 年 12 月 9 日，来自谷歌量子东谈主工智能（Google Quantum AI）的询查团队，奏效研制了全新一代的超导量子规划芯片“柳木（Willow）”，引诱了学术界和工业界的普通眷注。

联系询查效果以《Quantum error correction below the surface code threshold（名义码阈值以下的量子纠错）》为题，在线发表于外洋顶尖学术期刊《Nature》上。Willow 超导量子规划芯片的降生，意味着这个也曾困扰科学家近 30 年的“量子纠错”问题，终于迎来了奏效的晨曦！

全新一代的超导量子规划芯片“柳木（Willow）”的询查效果。

图片开始：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超导量子规划芯片的奏效研制为何能让科学家们如斯焕发呢？

就请诸位读者保握深嗜心，来和咱们共同揭开超导量子规划芯片的奥秘面纱吧！

量子规划的“卡脖子”艰巨

——量子纠错

运手脚假是规划中不能幸免的问题，在量子规划中更为昭彰。

这是因为，量子规划的基本运算单位——量子比特，对外界环境的噪声和烦躁十分敏锐。因此，量子比特在试验的量子规划经由中很容易发生运手脚假，从而难以输出清静可靠的运算限度。也便是说，天然量子规划在特定任务的处理上具有超越经典规划机的刚劲并行算力，但是量子规划机很容易出错，咫尺仍然处于“带噪声的中等范围量子（NISQ）”阶段。

为了处重量子规划机容易出现运手脚假的问题，科学家们建议了“量子纠错”的观点，其主要方针便是使得量子规划概况在不浮松规划经由的前提下，识别和矫正试验发生的运手脚假，从而输出清静可靠的运算限度。因此，“量子纠错”被觉得是构建信得过实用化量子规划机的必要条目，同期亦然量子规划现今濒临的“卡脖子”艰巨。

其实早在 1995 年，物理学家彼得·肖尔（Peter Shor）就建议了“量子纠错”的观点，其中枢想想便是将多个对外界烦躁极端敏锐的物理量子比特，编码成一个相当可靠的“逻辑量子比特”，从而达成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”的举座现象，从而决定经受合适的有盘算来矫正发生的运手脚假。

需要补充阐明的是，“逻辑量子比特”是一种轮廓的物理观点，它由多个协同责任的物理量子比特组成，概况通过编码和作假矫正等工夫，达成对量子信息的保护。因此，“逻辑量子比特”的运算性能要优于物理量子比特，被觉得是信得过实用化的量子比特。

就像“把大象装雪柜里”一样，“量子纠错”有盘算雷同也不错理解为以下 3 个法子：

1

量子编码

将原来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作假，通盘“逻辑量子比特”的量子信息仍然不错被保留；

2

量子作假检测

只对其中的一些物理量子比特进行测量，从而识别到作假发生的位置和类型，而不浮松“逻辑量子比特”中保存的量子信息；

3

量子作假矫正

凭据检测出的作假，科学家们会经受特定的“量子纠错”算法来保证作假被有用地矫正，从而裁汰举座的运手脚假率。

在设想情况下，“量子纠错”有盘算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，通盘的运手脚假率也会随之裁汰。

但是，设想很好意思好，现实却很“骨感”。

由于物理量子比特自己也存在一定的作假率，何况受限于“量子操控”的精度，在试验的大范围“量子纠错”经由中，极有可能出现“越纠越错”的难受情况。

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作假率低于一个特定的阈值。惟一这么，“量子纠错”有盘算才能从“越纠越错”，转动为“越纠越好”的设想方针。

量子纠错的“急时尚”

——超导量子规划

在认真先容何如进行“量子纠错”之前，不妨让咱们先转头一下这位老练的老一又友——超导量子规划。

浅易而言，超导量子规划的中枢元器件是约瑟夫森结（Josephson junction），它带来的非线性特征概况让其中的某些特定能级，编码成为物理量子比特，从而组成超导量子规划的基本运算单位。与此同期，要想保握约瑟夫森结的有用责任，就需要将超导量子规划系统置于零下 273.12℃ 或更低的极低温环境中初始。

那么，超导量子规划又是具有哪些独到的上风，从而成为“量子纠错”中的“急时尚”呢？

率先，超导量子规划有盘算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推广性等上风。因此，科学家们不错在超导量子规划系统中制备出填塞多的物理量子比特，从而逍遥量子纠错所需的范围化需求；

其次，跟着工艺水平的逾越和操控材干的升迁，超导量子规划的准确度如故得到昭彰的升迁。如今，超导量子规划有盘算中的单量子比特门的作假率如故低于 0.092%，何况双量子比特门的最高保真度王人不错越过 99%，从而逍遥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，超导量子规划被觉得是达成“量子纠错”的设想平台，何况在“量子纠错”领域中大展本领。

量子纠错的“里程碑”——

谷歌Willow量子规划芯片

早在 2019 年，谷歌量子东谈主工智能的询查团队就奏效研制出具有 53 个量子比特的超导量子规划芯片“悬铃木（Sycamore）”，何况声称达成了“量子优厚性”，这被视为是量子规划发展史的迫切时刻。

2019年，谷歌研制出的超导量子规划芯片“悬铃木（Sycamore）”。

图片开始：参考文件[3]

相较于上一代的超导量子规划芯片“悬铃木（Sycamore）”，全新的Willow 超导量子规划芯片不仅具备了前者的通盘优点，更是在量子比特的范围以及性能方面得到了昭彰的升迁。

具体而言，Willow 超导量子规划芯片具有高达 105 个超导量子比特，这接近于上一代量子规划芯片的两倍。更迫切的是，Willow 超导量子规划芯片中的量子比特作假率得到昭彰的扼制，其中单量子比特门的平均作假率仅有 0.035%，而双量子比特门的平均作假率也惟一 0.33%。这意味着，这款全新的量子规划芯片极端稳当用于“量子纠错”，何况有望达成大范围的推广以走向试验的诓骗。

询查限度标明，跟着超导量子比特数量的加多，Willow 超导量子规划芯片的运手脚假率还呈现出指数级的裁汰，也便是达成了所谓的“越纠越对”。这记号着，Willow 超导量子规划芯片是公共首个在加多量子比特数量的同期概况裁汰运手脚假率的量子规划系统，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规划芯片“柳木（Willow）”。

图片开始：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询查团队也奏效研制出了全新的“祖冲之三号”超导量子规划芯片，其询查效果以《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 量子处理器以设立量子规划上风的新标杆）》为题，如故上传至预印本文库 arXiv上。

询查限度标明，“祖冲之三号”超导量子规划芯片雷同也具有高达 105 个超导量子比特，在多样性能方针上与 Willow 超导量子规划芯片旗饱读异常。咫尺，该询查团队正在基于“祖冲之三号”超导量子规划芯片开展联系测试责任，为达成大范围的“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询查团队也奏效研制出了全新的“祖冲之三号”超导量子规划芯片。图片开始：中国科大新闻网

其实，在量子规划这个策略领域的外洋竞争中，中国力量从未缺席。

早在 2021 年，来自中国科学工夫大学的询查团队就研制出早期的国产超导量子规划芯片“祖冲之号”，何况领有 62 个超导量子比特，雷同也达成了“量子优厚性”，这被觉得是中国量子规划发展史的迫切时刻。联系询查效果以《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，发表于外洋顶尖学术期刊《Science》上。

随后在 2022 年，该询查团队在“祖冲之号”的升级版“祖冲之二号”超导量子规划芯片上，达成了一种由 17 个量子比特组成的纠错名义码，初次达成名义码的近似纠错。这项询查初次评释了超导量子规划不错使用名义码进行近似量子纠错的可行性，联系询查效果以《Realization of an Error-Correcting Surface Code with Superconducting Qubits（达成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询查团队在超导量子规划的“量子纠错”询查中雷同获取破碎性的进展。该询查团队经受及时近似的“量子纠错”有盘算，蔓延了量子信息的存储期间，在外洋上初次超越盈亏均衡点，展示了“量子纠错”的浩繁实用价值。联系询查效果以《Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit（用破碎变量编码的逻辑量子比特来超越盈亏均衡点）》为题，发表于外洋顶尖学术期刊《Nature》上。

结语

要而论之，量子规划作为量子力学与信息科学相集会的交叉领域，是量子力学的最新发展标的之一，被觉得是“第二次量子立异”的迫切记号。

刻下，量子规划处于科技攻关和外洋竞争的重要节点，具有要紧的科学真义和策略价值，如故引诱了公共主要科技强国的普通眷注，何况裸清晰一普遍贸易科技巨头和顶尖的量子询查机构。其中，以超导量子规划系统和离子阱量子规划系统为代表的两大物理达成有盘算，被科学界觉得是达成量子规划的主流工夫阶梯。不错说，咫尺正处于“第二次量子立异”的清晨时期，外洋竞争不休加重。

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.

[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.

筹办制作

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 林林新金瓶梅什么时候上映