什么是邏輯量子比特？怎樣用其實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)呢？

邏輯量子比特（Logical Qubit）由多個(gè)物理量子比特組成，可作為量子計(jì)算系統(tǒng)的基本計(jì)算單元，因其具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)性能而備受關(guān)注。

一、量子計(jì)算技術(shù)進(jìn)步依賴于更強(qiáng)糾錯(cuò)能力

（一）量子計(jì)算面臨更多的噪聲與錯(cuò)誤，糾錯(cuò)技術(shù)不可或缺

2019年10月，谷歌公司發(fā)布“Sycamore”量子計(jì)算原型機(jī)，一度引發(fā)轟動(dòng)。自此，全球科學(xué)家不斷推出新的研究，將量子計(jì)算性能推向更高的水平。但是，Sycamore的原型機(jī)在執(zhí)行隨機(jī)線路采樣中的保真度極低。這也引發(fā)了科研人員對(duì)于量子糾錯(cuò)的思考和探索。

計(jì)算設(shè)備不可避免地會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，包括經(jīng)典計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)都是如此。經(jīng)典計(jì)算機(jī)通過重傳糾錯(cuò)、前向糾錯(cuò)和糾錯(cuò)碼等方式對(duì)運(yùn)算中的錯(cuò)誤進(jìn)行糾正。而糾錯(cuò)對(duì)于量子計(jì)算機(jī)而言，是與提升運(yùn)算性能同等重要，甚至更重要的問題。由于量子計(jì)算機(jī)中的量子比特非常容易受到環(huán)境中的噪聲和干擾，因此它們的狀態(tài)非常不穩(wěn)定，很容易失去量子特性，使用量子位的幾乎每個(gè)方面都容易出錯(cuò)：設(shè)置初始狀態(tài)、狀態(tài)的維護(hù)、執(zhí)行操作以及讀出狀態(tài)都可能引入錯(cuò)誤，從而使量子算法無法產(chǎn)生有用的結(jié)果。因此，如何保持量子比特的穩(wěn)定性和正確性，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤，是量子計(jì)算機(jī)發(fā)展中的一大挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對(duì)量子計(jì)算糾錯(cuò)挑戰(zhàn)，研究人員一直在進(jìn)行相關(guān)嘗試，2023年以來誕生了不少新成果：2023年3月，深圳量子研究院研究人員在基于超導(dǎo)量子線路系統(tǒng)的量子糾錯(cuò)領(lǐng)域取得突破性的重大實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，通過實(shí)時(shí)重復(fù)的量子糾錯(cuò)技術(shù)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)；4月，美國(guó)耶魯大學(xué)通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)調(diào)整量子糾錯(cuò)過程，將量子比特的相干時(shí)間提高到1.8毫秒；6月，IBM公司通過對(duì)量子噪聲進(jìn)行建模，開發(fā)出一種零噪聲外推（Zero Noise Extrapolation）算法來推算出沒有噪聲的計(jì)算結(jié)果；12月，亞馬遜AWS展示一種被動(dòng)糾錯(cuò)方法，將量子計(jì)算的錯(cuò)誤率降低到原來的1/100。

（二）量子糾錯(cuò)具有三條主要路線

量子糾錯(cuò)的基本思想是使用一些額外的量子比特來檢測(cè)和糾正主要的量子比特中的錯(cuò)誤，或是降低噪聲產(chǎn)生的影響等，主要有以下幾種路線：

一是量子糾錯(cuò)碼：通過將多個(gè)物理量子比特編碼為一個(gè)或多個(gè)邏輯量子比特，然后通過測(cè)量和校正來檢測(cè)和修復(fù)錯(cuò)誤。量子糾錯(cuò)碼有很多種類，如表面碼、色碼、積碼、坦納碼等，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的物理系統(tǒng)和量子任務(wù)，可以在主要的量子比特發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，通過糾錯(cuò)碼的檢測(cè)和糾正來修復(fù)這些錯(cuò)誤。這樣，即使環(huán)境噪聲和干擾很強(qiáng)，也可以保證量子計(jì)算的正確性。

二是量子誤差緩解：通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)后處理來降低測(cè)量結(jié)果的誤差。量子誤差緩解有多種方案，如外插法、準(zhǔn)概率分解法、張量網(wǎng)絡(luò)法等，它們可以在不增加硬件資源的情況下，提高量子計(jì)算的精度和穩(wěn)定性。

三是量子誤差校正：通過利用統(tǒng)計(jì)學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)，對(duì)量子系統(tǒng)的錯(cuò)誤行為進(jìn)行建模和估計(jì)，然后通過酉變換運(yùn)算來消除或減少錯(cuò)誤的影響。量子誤差校正有多種方法，例如零噪聲外推、錯(cuò)誤消除、錯(cuò)誤校正等，它們可以在不需要編碼和解碼的情況下，提高量子計(jì)算的效率和可靠性。

二、邏輯量子比特的糾錯(cuò)方法展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

中性原子架構(gòu)是當(dāng)前主流的量子比特類型之一，其優(yōu)勢(shì)是中性原子的一致性高，可以在量子比特間實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；ミB，這也是在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)容納280個(gè)物理量子比特、48個(gè)邏輯量子比特的關(guān)鍵。但是，也面臨原子損失和負(fù)載較大、可擴(kuò)展性有限的挑戰(zhàn)。與標(biāo)準(zhǔn)量子比特不同，邏輯量子比特能夠更好地進(jìn)行計(jì)算而不受錯(cuò)誤的影響。

量子計(jì)算面臨的主要挑戰(zhàn)之一是維護(hù)和操作量子信息。為解決這個(gè)問題，研究人員開發(fā)了糾錯(cuò)邏輯量子比特作為主要解決方案，通過多個(gè)物理量子比特構(gòu)建邏輯量子比特，通過48個(gè)邏輯量子比特的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了迄今為止最強(qiáng)大的糾錯(cuò)性能，展示了7的代碼距離，能夠檢測(cè)和糾正糾纏邏輯門操作期間發(fā)生的任意錯(cuò)誤。碼距越大意味著對(duì)量子錯(cuò)誤的抵抗力越高。在使用多達(dá)280個(gè)物理量子比特的情況下，研究人員僅需編寫不到10個(gè)控制信號(hào)即可執(zhí)行所有必要操作。相比之下，其他系統(tǒng)可能需要數(shù)百個(gè)控制信號(hào)來處理相同數(shù)量的量子比特。

邏輯量子比特示意圖 圖源：Nature

這個(gè)新成果為傳統(tǒng)觀點(diǎn)帶來新的挑戰(zhàn)，即開發(fā)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)不再需要數(shù)百萬個(gè)物理量子比特。

三、邏輯量子比特和大規(guī)模量子互連可能是容錯(cuò)量子計(jì)算的未來

未來，量子計(jì)算機(jī)將朝著高算力、強(qiáng)拓展、強(qiáng)糾錯(cuò)的方向發(fā)展。而量子糾錯(cuò)技術(shù)的發(fā)展方向，可能是在嘈雜的系統(tǒng)上減少錯(cuò)誤，或者在有限數(shù)量的糾錯(cuò)量子比特上構(gòu)建更大規(guī)模的量子計(jì)算系統(tǒng)。再加以構(gòu)建各類邏輯門，最終實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)，展現(xiàn)出前所未有的強(qiáng)大性能，幫助人類走向更廣闊的星辰大海。






審核編輯：劉清