文丨浪味仙排版丨沛贤
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量子计算机看似强大，“内心”却很脆弱：温度、震动、磁场等环境扰动，都会破坏其计算基础——量子比特，这使得量子纠错成为量子计算领域的核心挑战之一。
目前，量子计算机每千次操作，大约会出现一个错误，科学家试图通过将量子计算分散至冗余量子比特的方式，来弥补高错误率。一般来说，需要 1000 甚至更多个物理量子比特，才能组合成一个潜在有用的逻辑量子比特。
近日，科技巨头微软和量子计算创新者 Quantinuum 宣布，他们构建出一个具备前所未有精确度的量子系统，仅从 30 个物理量子比特中就产生 4 个逻辑量子比特，比仅使用物理量子比特时的错误率降低了 800 倍，是有史以来最低的错误率。
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微软科学家开发出一套量子比特虚拟化系统，将错误诊断与修复策略相结合，创新性地研发出一种纠错技术，被称为“主动综合征提取”(active syndrome extraction)。
通常情况下，测量行为会破坏量子态，而这项新的纠错技术不再关注量子态，而是注重学习量子比特的噪声特性，最终取得了显著效果：在不破坏逻辑量子比特的情况下，新的纠错技术能够在 2 个逻辑量子比特上运行多达三轮提取，诊断并纠正错误，从而支撑更长、更复杂的量子计算。
实验报告显示，利用这一纠错技术，4 个逻辑量子比特运行超过 14,000 个独立实验，没有出现一个错误。据科学家们估计，他们的逻辑量子比特每 100,000 次运行，才可能会出现一次错误。
在动画演示中，逻辑量子比特显示测量值之间没有差异，物理量子比特却有（图片来源：网络）
在这项全新量子纠错技术的研究过程中，Quantinuum 的量子处理器 H2 发挥了关键作用。
H2 是 Quantinuum 于去年推出的第二代量子计算机，使用镱同位素来创建用于计算的量子比特和用于冷却的钡离子，其业界领先的保真度、可扩展性和灵活性，为此次纠错技术突破提供了坚实的基础：在涉及到使用量子比特对来执行量子逻辑门的基本操作时，H2 展示出高达 99.8% 的保真度。
（图片来源：网络）
“这一点很重要，当我们进行多轮活动综合征提取时，需要在 75 个时间步长内进行近 350 次物理双量子比特操作。”微软高级量子开发副总裁 Krysta Svore 表示：“在执行如此多双量子比特操作时，真的非常需要高双量子比特门保真度。”
微软执行副总裁 Jason Zander，曾在一篇文章中用“漏船”的例子，来解释保真度对量子计算的重要性。
假设一艘船需要向对岸航行 2000 米，但船发生破损，只能前行到大约 5% 的距离，之后就会因进水而下沉。面对这个问题，若只考虑再建一艘更大的船，用的却还是同样存在漏水风险的材料，那么船哪怕再大，进水下沉也只是时间早晚的事。所以，一艘适合远航的划艇，好过建造一艘更大的漏水船。简而言之，保真度是衡量量子计算机产生有用结果的可靠保证。
基于目前微软和 Quantinuum 的理论研究，最终逻辑量子比特的错误率有望再降低千倍。未来，量子计算将被视为高性能计算和 AI 集成平台的一部分。
量子技术领域的专家认为，这一成就是未来量子计算应用的重要基础，从药物发现、金融建模，再到气候模拟等场景，量子计算精度的增强，预计将加速实用且功能强大的量子计算机的出现，进而解决当前社会面临的一系列棘手问题。
规模化量子计算机将提供模拟分子和原子间相互作用的能力，这是经典计算机无法企及的维度。鉴于此，量子计算机的确称得上是推动世界变革的一大催化剂，这也是为什么量子计算拥有如此超凡吸引力的原因。
