IT之家 2 月 11 日消息，量子計算機(jī)具有在某些問題上遠(yuǎn)超經(jīng)典計算機(jī)的運算能力，但量子比特卻會因干擾噪音的影響而失去量子特性。因此，實用的可容錯量子計算機(jī)最終要求對量子糾錯碼（即邏輯量子比特）實現(xiàn)編解碼和糾錯，并在糾錯保護(hù)下進(jìn)行量子邏輯門操控，實現(xiàn)對量子信息的保護(hù)。量子糾錯被公認(rèn)為是實現(xiàn)可容錯通用量子計算的核心問題。
初創(chuàng)公司 QuEra 宣布其開發(fā)的世界首臺具有“邏輯量子位”的商用容錯量子計算機(jī)將在 2024 年底推出，并擁有 256 個物理量子位和 10 個邏輯量子位。
IT之家注：邏輯量子位是由物理量子位（量子比特）通過量子糾纏連接而成，它通過將相同的數(shù)據(jù)存儲在不同的地方來減少量子計算機(jī)中的錯誤，從而使計算過程中的故障點變得多樣化。
值得一提的是，QuEra、哈佛大學(xué)和其他幾所研究機(jī)構(gòu)在 2023 年 12 月 6 日向《自然》雜志發(fā)表了一項新研究，其中就展示了一臺運行良好的量子計算機(jī)，它包含 48 個邏輯量子位，這是迄今為止經(jīng)過測試的最大數(shù)量的邏輯量子位。
論文作者、QuEra 和哈佛大學(xué)物理學(xué)家 Harry Zhou 在一封電子郵件中告訴 Live Science 說：“這是第一臺具有量子糾錯功能的機(jī)器?！?/p>
雖然這臺測試用的量子計算機(jī)本身沒有足夠的性能，但它為軟件開發(fā)者提供了一個平臺，可以用來測試未來量子計算機(jī)的代碼。
眾所周知，傳統(tǒng)計算機(jī)使用二進(jìn)制位存儲信息（其值要么為 0，要么為 1），而量子計算機(jī)使用的量子位處于疊加狀態(tài)（可以同時處于 0 和 1 之間的狀態(tài)），而且量子位還可以通過量子糾纏組合在一起，同時存在于多個狀態(tài)。這就使它們能夠比傳統(tǒng)計算機(jī)更快地執(zhí)行更多的計算量，前提是包含足夠數(shù)量的量子比特。
但要想提高數(shù)量也不是那么簡單的事，量子位很容易受到干擾，大約每 1000 個量子位中就會有 1 個出現(xiàn)錯誤，而傳統(tǒng)計算機(jī)一般 10 億億個比特中才會出現(xiàn) 1 個錯誤。
如果哪一臺量子計算機(jī)能擁有數(shù)百萬個量子位，那它將直接超越當(dāng)今最強(qiáng)的超級計算機(jī)，但目前為止最大的量子計算機(jī)也只有大約 1000 個量子位，這種高故障率嚴(yán)重限制了人類對量子計算機(jī)的的研究速度。
實際上，在計算和通訊中出現(xiàn)錯誤是很自然的事。上世紀(jì)五十年代的早期經(jīng)典計算機(jī)都是用電子管或繼電器構(gòu)建的比特，會毫無預(yù)兆地發(fā)生反轉(zhuǎn)。為此，數(shù)學(xué)家馮?諾伊曼提出利用冗余比特來糾錯的容錯技術(shù)。冗余糾錯很容易理解，比如說你電話中告訴別人你的名字，說一次不夠就說 3 次“我是張三、張三、張三……”，次數(shù)越多，傳錯聽錯的概率就越小，冗余糾錯的方法便類似于此。
目前來看，提高系統(tǒng)的可靠性一般有兩種辦法：一是對硬件縝密設(shè)計和質(zhì)量控制，盡量減少出錯的概率；二是以冗余為代價來換取可靠性，算是軟件方面的努力。硬件的控制是有限的，必須利用軟件編碼來“容許”錯誤。
糾錯可以抵消量子位易于出錯的趨勢，而構(gòu)建邏輯量子位就是一種很巧妙的方法。據(jù)介紹，QuEra 極大地降低了量子位的錯誤率，其第一臺使用該技術(shù)的商用機(jī)器就實現(xiàn)了 256 個物理量子位和 10 個邏輯量子位。
Harry Zhou 介紹稱，新的糾錯系統(tǒng)便是依賴于數(shù)據(jù)冗余，即同一份數(shù)據(jù)存儲在多個位置。具體來說，相同的數(shù)據(jù)會存儲在多個位置，而邏輯量子位可以在多個物理量子位上執(zhí)行相同的計算，即使一個或多個物理量子位出現(xiàn)故障也可以保證計算繼續(xù)進(jìn)行，從而大大降低錯誤率。
研究人員通過將糾錯代碼應(yīng)用于普通量子位來創(chuàng)建邏輯量子位。然后，他們在量子位之間建立邏輯門或電路，使其糾纏在一起。隨后，量子計算機(jī)計算“綜合征”，也就是衡量可能發(fā)生錯誤的程度。利用該信息，量子計算機(jī)可以糾正錯誤并進(jìn)行下一步操作。
數(shù)據(jù)方面，谷歌量子人工智能實驗室 2023 年曾使用三個邏輯量子位實現(xiàn)了 2.9% 的錯誤率，而 Quera 公司的錯誤率僅為 0.5%（使用 48 個邏輯量子位）。不過目前世界領(lǐng)先的是牛津大學(xué)，他們以雙量子位實現(xiàn)了小于 0.01% 的錯誤率，實用意義不大。
值得一提的是，IBM 去年也展示了其 127 個量子位的 Heron 芯片的糾錯技術(shù)，與其他芯片相比可使得錯誤率降低 80%，但其首臺商用機(jī)器預(yù)計要到 2029 年才會問世。
QuEra 公司計劃在 2025 年推出擁有 30 個邏輯量子位和 3000 個物理量子位的機(jī)器，計劃在 2026 年推出一臺擁有 10,000+ 個物理量子位和 100 個邏輯量子位的“性能猛獸”。
Harry Zhou 還透露：“擁有 100 個邏輯量子位的機(jī)器（2026 年）可以以超過當(dāng)今（所有）超級計算機(jī)的能力進(jìn)行正確的計算?！?/p>
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