明鉴万里澳门六合彩，超导量子预计的商讨鸿沟又双叒有大新闻啦！

就在 2024 年 12 月 9 日，来自谷歌量子东谈主工智能（Google Quantum AI）的商讨团队，得胜研制了全新一代的超导量子预计芯片“柳木（Willow）”，眩惑了学术界和工业界的频频慈祥。

有关商讨设施以《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 超导量子预计芯片的降生，意味着这个也曾困扰科学家近 30 年的“量子纠错”问题，终于迎来特出胜的朝阳！

全新一代的超导量子预计芯片“柳木（Willow）”的商讨设施。

图片开端：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超导量子预计芯片的得胜研制为何能让科学家们如斯同意呢？

就请诸君读者保执深嗜心，来和咱们共同揭开超导量子预计芯片的奥密面纱吧！

量子预计的“卡脖子”贫乏

——量子纠错

运算无理是预计中弗成幸免的问题，在量子预计中更为较着。

这是因为，量子预计的基本运算单位——量子比特，对外界环境的噪声和搅扰十分敏锐。因此，量子比特在骨子的量子预计进程中很容易发生运算无理，从而难以输出肃肃可靠的运算设施。也等于说，诚然量子预计在特定任务的处理上具有超越经典预计机的刚劲并行算力，可是量子预计机很容易出错，面前仍然处于“带噪声的中等鸿沟量子（NISQ）”阶段。

为了科罚量子预计机容易出现运算无理的问题，科学家们提议了“量子纠错”的办法，其主要主张等于使得量子预计好像在不浮松预计进程的前提下，识别和校正骨子发生的运算无理，从而输出肃肃可靠的运算设施。因此，“量子纠错”被合计是构建委果实用化量子预计机的必要条款，同期亦然量子预计现今濒临的“卡脖子”贫乏。

其实早在 1995 年，物理学家彼得·肖尔（Peter Shor）就提议了“量子纠错”的办法，其中枢想想等于将多个对外界搅扰很是敏锐的物理量子比特，编码成一个相配可靠的“逻辑量子比特”，从而杀青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”的举座情状，从而决定接受合适的决策来校正发生的运算无理。

需要补充阐述的是，“逻辑量子比特”是一种笼统的物理办法，它由多个协同责任的物理量子比特组成，好像通过编码和无理校正等期间，杀青对量子信息的保护。因此，“逻辑量子比特”的运算性能要优于物理量子比特，被合计是委果实用化的量子比特。

就像“把大象装雪柜里”一样，“量子纠错”决策一样也不错瓦解为以下 3 个本事：

可是，同样是康熙的四大妃之一、同样是十年盛宠生六胎，德妃走上了人生巅峰，这位妃子却受尽了冷遇，她就是康熙的荣妃马佳氏。

1

量子编码

将正本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无理，所有这个词“逻辑量子比特”的量子信息仍然不错被保留；

2

量子无理检测

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

3

量子无理校正

凭证检测出的无理，科学家们会接受特定的“量子纠错”算法来保证无理被有用地校正，从而裁汰举座的运算无理率。

在想象情况下，“量子纠错”决策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，所有这个词的运算无理率也会随之裁汰。

干系词，想象很好意思好，推行却很“骨感”。

由于物理量子比特自身也存在一定的无理率，而且受限于“量子操控”的精度，在骨子的大鸿沟“量子纠错”进程中，极有可能出现“越纠越错”的难过情况。

因此，要想让“逻辑量子比特”的阐发优于物理量子比特，这就需要物理量子比特的无理率低于一个特定的阈值。唯一这么，“量子纠错”决策智力从“越纠越错”，改革为“越纠越好”的想象主张。

量子纠错的“急前锋”

——超导量子预计

在弘扬先容怎样进行“量子纠错”之前，不妨让咱们先纪念一下这位闇练的老一又友——超导量子预计。

简便而言，超导量子预计的中枢元器件是约瑟夫森结（Josephson junction），它带来的非线性特征好像让其中的某些特定能级，编码成为物理量子比特，从而组成超导量子预计的基本运算单位。与此同期，要想保执约瑟夫森结的有用责任，就需要将超导量子预计系统置于零下 273.12℃ 或更低的极低温环境中运转。

那么，超导量子预计又是具有哪些专有的上风，从而成为“量子纠错”中的“急前锋”呢？

起始，超导量子预计决策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膨胀性等上风。因此，科学家们不错在超导量子预计系统中制备出填塞多的物理量子比特，从而知足量子纠错所需的鸿沟化需求；

其次，跟着工艺水平的当先和操控才略的擢升，超导量子预计的准确度仍是得到较着的擢升。如今，超导量子预计决策中的单量子比特门的无理率仍是低于 0.092%，而且双量子比特门的最高保真度都不错高出 99%，从而知足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，超导量子预计被合计是杀青“量子纠错”的想象平台，而且在“量子纠错”鸿沟中大展武艺。

量子纠错的“里程碑”——

谷歌Willow量子预计芯片

早在 2019 年，谷歌量子东谈主工智能的商讨团队就得胜研制出具有 53 个量子比特的超导量子预计芯片“悬铃木（Sycamore）”，而且声称杀青了“量子优胜性”，这被视为是量子预计发展史的伏击时刻。

2019年，谷歌研制出的超导量子预计芯片“悬铃木（Sycamore）”。

图片开端：参考文件[3]

相较于上一代的超导量子预计芯片“悬铃木（Sycamore）”，全新的Willow 超导量子预计芯片不仅具备了前者的所有优点，更是在量子比特的鸿沟以及性能方面得到了较着的擢升。

具体而言，Willow 超导量子预计芯片具有高达 105 个超导量子比特，这接近于上一代量子预计芯片的两倍。更伏击的是，Willow 超导量子预计芯片中的量子比特无理率得到较着的扼制，其中单量子比特门的平均无理率仅有 0.035%，而双量子比特门的平均无理率也唯一 0.33%。这意味着，这款全新的量子预计芯片很是顺应用于“量子纠错”，而且有望杀青大鸿沟的膨胀以走向骨子的哄骗。

商讨设施标明，跟着超导量子比特数量的增多，Willow 超导量子预计芯片的运算无理率还呈现出指数级的裁汰，也等于杀青了所谓的“越纠越对”。这标记着，Willow 超导量子预计芯片是大家首个在增多量子比特数量的同期好像裁汰运算无理率的量子预计系统，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预计芯片“柳木（Willow）”。

图片开端：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，来自中国科学期间大学的商讨团队也得胜研制出了全新的“祖冲之三号”超导量子预计芯片，其商讨设施以《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 量子处理器以树立量子预计上风的新标杆）》为题，仍是上传至预印本文库 arXiv上。

商讨设施标明，“祖冲之三号”超导量子预计芯片一样也具有高达 105 个超导量子比特，在各式性能方针上与 Willow 超导量子预计芯片旗饱读十分。面前，该商讨团队正在基于“祖冲之三号”超导量子预计芯片开展有关测试责任，为杀青大鸿沟的“量子纠错”和“量子比特操控”铺平谈路。

2024年12月，中国科学期间大学的商讨团队也得胜研制出了全新的“祖冲之三号”超导量子预计芯片。图片开端：中国科大新闻网

其实，在量子预计这个策略鸿沟的外洋竞争中，中国力量从未缺席。

早在 2021 年，来自中国科学期间大学的商讨团队就研制出早期的国产超导量子预计芯片“祖冲之号”，而且领有 62 个超导量子比特，一样也杀青了“量子优胜性”，这被合计是中国量子预计发展史的伏击时刻。有关商讨设施以《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，该商讨团队在“祖冲之号”的升级版“祖冲之二号”超导量子预计芯片上，杀青了一种由 17 个量子比特组成的纠错名义码，初度杀青名义码的肖似纠错。这项商讨初度阐述了超导量子预计不错使用名义码进行肖似量子纠错的可行性，有关商讨设施以《Realization of an Error-Correcting Surface Code with Superconducting Qubits（杀青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商讨团队在超导量子预计的“量子纠错”商讨中一样获得冲突性的进展。该商讨团队接受及时肖似的“量子纠错”决策，延伸了量子信息的存储期间，在外洋上初度超越盈亏均衡点，展示了“量子纠错”的浩大实用价值。有关商讨设施以《Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit（用闹翻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

说七说八，量子预计手脚量子力学与信息科学相都集的交叉鸿沟，是量子力学的最新发展标的之一，被合计是“第二次量子创新”的伏击标记。

现时，量子预计处于科技攻关和外洋竞争的要害节点，具有紧要的科学意旨和策略价值，仍是眩惑了大家主要科技强国的频频慈祥，而且披清晰一遍及贸易科技巨头和顶尖的量子商讨机构。其中，以超导量子预计系统和离子阱量子预计系统为代表的两大物理杀青决策，被科学界合计是杀青量子预计的主流期间道路。不错说，当今正处于“第二次量子创新”的清晨期间，外洋竞争逼迫加重。

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.

筹谋制作

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 林林澳门六合彩