超導(dǎo)量子計(jì)算——量子糾錯(cuò)中的“急先鋒”

出品：科普中國(guó)

作者：欒春陽(yáng)（國(guó)防科技大學(xué)理學(xué)院）

吳偉（國(guó)防科技大學(xué)理學(xué)院）

王雨桐（清華大學(xué)物理學(xué)博士）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

不出所料，超導(dǎo)量子計(jì)算的研究領(lǐng)域又雙叒有大新聞啦！

就在2024年12月9日，來(lái)自谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）的研究團(tuán)隊(duì)，成功研制了全新一代的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片“柳木（Willow）”，吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

相關(guān)的研究成果以《Quantum error correction below the surface code threshold（表面碼閾值以下的量子糾錯(cuò)）》為題，在線發(fā)表于國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature》上。Willow超導(dǎo)量子計(jì)算芯片的誕生，意味著這個(gè)曾經(jīng)困擾科學(xué)家近30年的量子糾錯(cuò)問題，終于迎來(lái)了成功的曙光！

圖1 全新一代的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片“柳木（Willow）”的研究成果

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

那么，困擾科學(xué)家如此之久的“量子糾錯(cuò)”問題到底是什么？Willow超導(dǎo)量子計(jì)算芯片的成功研制為何能讓科學(xué)家們?nèi)绱伺d奮呢？那么，就請(qǐng)各位讀者保持好奇心，來(lái)和我們共同揭開超導(dǎo)量子計(jì)算芯片的神秘面紗吧！

量子糾錯(cuò)——量子計(jì)算的“卡脖子”難題

運(yùn)算錯(cuò)誤是計(jì)算中不可避免的問題，在量子計(jì)算中更為明顯。

這是因?yàn)?，量子?jì)算的基本運(yùn)算單元——量子比特，對(duì)外界環(huán)境的噪聲和干擾十分敏感。因此，量子比特在實(shí)際的量子計(jì)算過程中很容易發(fā)生運(yùn)算錯(cuò)誤，從而難以輸出穩(wěn)定可靠的運(yùn)算結(jié)果。也就是說(shuō)，雖然量子計(jì)算在特定任務(wù)的處理上具有超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大并行算力，但是量子計(jì)算機(jī)很容易出錯(cuò)，目前仍然處于“帶噪聲的中等規(guī)模量子（NISQ）”階段。

為了解決量子計(jì)算機(jī)容易出現(xiàn)運(yùn)算錯(cuò)誤的問題，科學(xué)家們提出了“量子糾錯(cuò)”的概念，其主要目標(biāo)就是使得量子計(jì)算能夠在不破壞計(jì)算過程的前提下，識(shí)別和糾正實(shí)際發(fā)生的運(yùn)算錯(cuò)誤，從而輸出穩(wěn)定可靠的運(yùn)算結(jié)果。因此，量子糾錯(cuò)被認(rèn)為是構(gòu)建真正實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)的必要條件，同時(shí)也是量子計(jì)算現(xiàn)今面臨的“卡脖子”難題。

其實(shí)早在1995年，物理學(xué)家彼得·肖爾（Peter Shor）就提出了量子糾錯(cuò)的概念，其核心思想就是將多個(gè)對(duì)外界干擾特別敏感的物理量子比特，編碼成為一個(gè)非常可靠的“邏輯量子比特”，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于信息的編碼保護(hù)。這樣一來(lái)，科學(xué)家們就可以使用其中的一些物理量子比特來(lái)識(shí)別這個(gè)“邏輯量子比特”的整體狀態(tài)，從而決定采用合適的方案來(lái)糾正發(fā)生的運(yùn)算錯(cuò)誤。

需要補(bǔ)充說(shuō)明的是，“邏輯量子比特”是一種抽象的物理概念，它由多個(gè)協(xié)同工作的物理量子比特組成，能夠通過編碼和錯(cuò)誤糾正等技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)量子信息的保護(hù)。因此，“邏輯量子比特”的運(yùn)算性能要優(yōu)于物理量子比特，被認(rèn)為是真正實(shí)用化的量子比特。

就像“把大象裝冰箱里”一樣，量子糾錯(cuò)方案同樣也可以分解為以下3個(gè)步驟：

1.量子編碼：將原本單個(gè)量子比特的量子信息編碼到多個(gè)物理量子比特中，從而構(gòu)成一個(gè)“邏輯量子比特”。這樣做的目的是，即使部分物理量子比特發(fā)生錯(cuò)誤，整個(gè)“邏輯量子比特”的量子信息仍然可以被保留；

2.量子錯(cuò)誤檢測(cè)：只對(duì)其中的一些物理量子比特進(jìn)行測(cè)量，從而識(shí)別到錯(cuò)誤發(fā)生的位置和類型，而不破壞“邏輯量子比特”中保存的量子信息；

3.量子錯(cuò)誤糾正：根據(jù)檢測(cè)出的錯(cuò)誤，科學(xué)家們會(huì)采用特定的量子糾錯(cuò)算法來(lái)保證錯(cuò)誤被有效地糾正，從而降低整體的運(yùn)算錯(cuò)誤率。

在理想情況下，量子糾錯(cuò)方案中所涉及的物理量子比特越多，那么這個(gè)“邏輯量子比特”就更加可靠，整個(gè)的運(yùn)算錯(cuò)誤率也會(huì)隨之降低。

然而，理想很美好，現(xiàn)實(shí)卻很骨感。由于物理量子比特本身也存在一定的錯(cuò)誤率，并且受限于量子操控的精度，在實(shí)際的大規(guī)模量子糾錯(cuò)過程中，極有可能出現(xiàn)“越糾越錯(cuò)”的尷尬情況。

圖2 量子糾錯(cuò)的藝術(shù)示意圖

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

因此，要想讓“邏輯量子比特”的表現(xiàn)優(yōu)于物理量子比特，這就需要物理量子比特的錯(cuò)誤率低于一個(gè)特定的閾值。只有這樣，量子糾錯(cuò)方案才能從“越糾越錯(cuò)”，轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸郊m越好”的理想目標(biāo)。

超導(dǎo)量子計(jì)算——量子糾錯(cuò)中的“急先鋒”

在正式介紹如何進(jìn)行量子糾錯(cuò)之前，不妨讓我們先回顧一下這位熟悉的老朋友——超導(dǎo)量子計(jì)算。

簡(jiǎn)單而言，超導(dǎo)量子計(jì)算的核心元器件是約瑟夫森結(jié)(Josephson junction)，其帶來(lái)的非線性特征能夠讓其中的某些特定能級(jí)，編碼成為物理量子比特，從而構(gòu)成超導(dǎo)量子計(jì)算的基本運(yùn)算單元。與此同時(shí)，要想保持約瑟夫森結(jié)的有效工作，就需要將超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)置于零下273.12℃或更低的極低溫環(huán)境中運(yùn)行。

圖3 超導(dǎo)量子計(jì)算的藝術(shù)示意圖

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

那么，超導(dǎo)量子計(jì)算又是具有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，從而成為量子糾錯(cuò)中的“急先鋒”呢？

首先，超導(dǎo)量子計(jì)算方案與現(xiàn)今主流的集成電路工藝相兼容，具有研制周期短和高度的可擴(kuò)展性等優(yōu)勢(shì)。因此，科學(xué)家們可以在超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)中制備出足夠多的物理量子比特，從而滿足量子糾錯(cuò)所需的規(guī)?；枨?；

其次，隨著工藝水平的進(jìn)步和操控能力的提升，超導(dǎo)量子計(jì)算的準(zhǔn)確度已經(jīng)得到明顯的提升。如今，超導(dǎo)量子計(jì)算方案中的單量子比特門的錯(cuò)誤率已經(jīng)低于0.092%，并且雙量子比特門的最高保真度都可以超過99%，從而滿足量子糾錯(cuò)所需的精確物理量子比特的要求。

正是憑借著以上的兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，超導(dǎo)量子計(jì)算被認(rèn)為的實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)的理想平臺(tái)，并且在量子糾錯(cuò)領(lǐng)域中大展身手。

谷歌Willow量子計(jì)算芯片——量子糾錯(cuò)的“里程碑”

早在2019年，谷歌量子人工智能的研究團(tuán)隊(duì)就成功研制出具有53個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片“懸鈴木（Sycamore）”，并且宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，這被視為是量子計(jì)算發(fā)展史的重要時(shí)刻。

圖4 2019年，谷歌研制出的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片“懸鈴木（Sycamore）”

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]）

相較于上一代的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片“懸鈴木（Sycamore）”，全新的Willow超導(dǎo)量子計(jì)算芯片不僅僅具備了前者的所有優(yōu)點(diǎn)，更是在量子比特的規(guī)模以及性能方面得到了明顯的提升。

具體而言，Willow超導(dǎo)量子計(jì)算芯片具有高達(dá)105個(gè)超導(dǎo)量子比特，這接近于上一代量子計(jì)算芯片的兩倍。更重要的是，Willow超導(dǎo)量子計(jì)算芯片中的量子比特錯(cuò)誤率得到明顯的抑制，其中單量子比特門的平均錯(cuò)誤率僅有0.035%，而雙量子比特門的平均錯(cuò)誤率也只有0.33%。這意味著，這款全新的量子計(jì)算芯片特別適合用于量子糾錯(cuò)，并且有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的擴(kuò)展以走向?qū)嶋H的應(yīng)用。

研究結(jié)果表明，隨著超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目的增加，Willow超導(dǎo)量子計(jì)算芯片的運(yùn)算錯(cuò)誤率還呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)的降低，也就是實(shí)現(xiàn)了所謂的“越糾越對(duì)”。這標(biāo)志著，Willow超導(dǎo)量子計(jì)算芯片是全球首個(gè)在增加量子比特?cái)?shù)量的同時(shí)能夠降低運(yùn)算錯(cuò)誤率的量子計(jì)算系統(tǒng)，這也被視為量子糾錯(cuò)的“里程碑”事件。

圖5 2024年12月，谷歌研制出的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片“柳木（Willow）”

（圖片來(lái)源：Google Quantum AI）

百舸爭(zhēng)流——不曾缺席的中國(guó)力量

值得一提的是，就在2024年12月17日，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也成功研制出了全新的“祖沖之三號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算芯片，其研究成果以《Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor（具有105個(gè)量子比特的祖沖之3.0量子處理器以建立量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)的新標(biāo)桿）》為題，已經(jīng)上傳至預(yù)印本文庫(kù)arXiv上。

研究結(jié)果表明，“祖沖之三號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算芯片同樣也具有高達(dá)105個(gè)超導(dǎo)量子比特，在各種性能指標(biāo)上與Willow超導(dǎo)量子計(jì)算芯片旗鼓相當(dāng)。目前，該研究團(tuán)隊(duì)正在基于“祖沖之三號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算芯片開展相關(guān)測(cè)試工作，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子糾錯(cuò)和量子比特操控鋪平道路。

圖6 2024年12月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也成功研制出了全新的“祖沖之三號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算芯片

（圖片來(lái)源：中國(guó)科大新聞網(wǎng)）

其實(shí)，在量子計(jì)算這個(gè)戰(zhàn)略領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，中國(guó)力量從未缺席。

早在2021年，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就研制出早期的國(guó)產(chǎn)超導(dǎo)量子計(jì)算芯片“祖沖之號(hào)”，并且擁有62個(gè)超導(dǎo)量子比特，同樣也實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，這被認(rèn)為是中國(guó)量子計(jì)算發(fā)展史的重要時(shí)刻。相關(guān)研究成果以《Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor（可編程的二維62個(gè)量子比特超導(dǎo)處理器上的量子行走）》為題，發(fā)表于國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Science》上。

隨后在2022年，該研究團(tuán)隊(duì)在“祖沖之號(hào)”的升級(jí)版“祖沖之二號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算芯片上，實(shí)現(xiàn)了一種由17個(gè)量子比特組成的糾錯(cuò)表面碼，首次實(shí)現(xiàn)表面碼的重復(fù)糾錯(cuò)。這項(xiàng)研究首次證明了超導(dǎo)量子計(jì)算可以使用表面碼進(jìn)行重復(fù)量子糾錯(cuò)的可行性，相關(guān)研究成果以《Realization of an Error-Correcting Surface Code with Superconducting Qubits（實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特糾錯(cuò)表面碼）》為題，發(fā)表于頂尖物理學(xué)期刊《Physical Review Letters》上。

而在2023年，來(lái)自南方科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子計(jì)算的量子糾錯(cuò)研究中同樣取得突破性的進(jìn)展。該研究團(tuán)隊(duì)采用實(shí)時(shí)重復(fù)的量子糾錯(cuò)方案，從而延長(zhǎng)了量子信息的存儲(chǔ)時(shí)間，在國(guó)際上首次超越盈虧平衡點(diǎn)，展示了量子糾錯(cuò)的巨大實(shí)用價(jià)值。相關(guān)研究成果以《Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit（用離散變量編碼的邏輯量子比特來(lái)超越盈虧平衡點(diǎn)）》為題，發(fā)表于國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature》上。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，量子計(jì)算作為量子力學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的交叉領(lǐng)域，是量子力學(xué)的最新發(fā)展方向之一，被認(rèn)為是“第二次量子革命”的重要標(biāo)志。

當(dāng)前，量子計(jì)算處于科技攻關(guān)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，具有重大的科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值，已經(jīng)吸引了全球主要科技強(qiáng)國(guó)的廣泛關(guān)注，并且涌現(xiàn)出一大批商業(yè)科技巨頭和頂尖的量子研究機(jī)構(gòu)。其中，以超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)和離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)為代表的兩大物理實(shí)現(xiàn)方案，被科學(xué)界認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的主流技術(shù)路線?？梢哉f(shuō)，現(xiàn)在正處于“第二次量子革命”的黎明時(shí)分，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇。

那么，除了我們所熟知的超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)之外，離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)又扮演怎樣的關(guān)鍵角色呢？就請(qǐng)各位讀者保持好奇心，讓我們?cè)谙乱黄泄餐剿鞲嗟牧孔訆W秘吧！

參考文獻(xiàn)：

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