容錯量子計算新時代！全球首款邏輯量子比特電路實現無差錯計算

又一項量子計算紀錄被打破。

一個研究小組製造出了一臺量子計算機，它擁有有史以來數量最多的邏輯量子比特。與標準量子比特不同，邏輯量子比特能夠更好地進行計算而不受錯誤的影響，這使得新設備有可能成爲邁向實用量子計算的重要一步。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06927-3

在QuEra內部發行的紙質版文件中，報告了基於編碼邏輯量子比特的可編程量子處理器的實現情況，該處理器最多可運行280個物理量子比特。

合作者報告了以下關鍵成就：

- 創建和糾纏迄今爲止最大的邏輯量子比特，顯示出7的代碼距離，從而能夠檢測和糾正糾纏邏輯門操作過程中出現的任意錯誤（代碼距離越大，抗量子錯誤的能力就越強）。此外，研究首次表明，增加代碼距離確實可以降低邏輯運算中的錯誤率。

- 實現了48個用於執行復雜算法的小型邏輯量子比特，其性能超過了使用物理量子比特執行相同算法時的性能。

- 通過控制280個物理比特，構建了40箇中型糾錯碼。

這些結果預示着早期糾錯量子計算的到來，併爲大規模邏輯處理器的發展指明瞭道路。

量子計算機能完成多複雜的計算，取決於它所包含的量子比特的數量。最近，IBM和位於加利福尼亞州的Atom Computing公司推出了擁有1000多個量子比特的設備：幾乎是之前最大量子計算機的三倍。但是，這些設備的出現並沒有立即帶來計算能力的大幅提升，因爲更大的量子計算機往往也會產生更多的錯誤。

人們普遍認爲，最有用的量子計算需要等待糾錯量子比特的開發。糾錯涉及將一個量子信息比特（稱爲邏輯量子比特）分配給一小部分硬件量子比特，分歧主要集中在如何最好地實現它以及需要多長時間。

今天發表在《自然》（Nature）上的一篇論文描述了邁向未來的關鍵一步。之前的糾錯演示展示了一個、兩個或三個邏輯量子比特；這項新工作中，一個主要由哈佛大學研究人員組成的大型研究團隊現已展示了在多達48個邏輯量子比特上執行多種操作的能力，在解決錯誤問題的同時增強了計算穩定性和可靠性。

研究結果表明，該系統基於QuEra公司開發的硬件，能夠正確識別錯誤的發生，從而顯著改善計算結果。

爲了製造出能夠糾正錯誤的量子計算機，波士頓量子計算初創公司QuEra的研究人員和幾位學者轉而專注於增加邏輯量子比特的數量：邏輯量子比特是通過量子糾纏相互連接的量子比特組。

在傳統計算機中，糾錯依賴於保存多個冗餘信息副本。哈佛大學的多勒夫·布盧夫斯坦（Dolev Bluvstein）是研究小組的成員之一，他說，量子信息從根本上說是不同的，是無法複製的，因此研究人員利用糾纏將其分散到多個量子比特上，從而實現了類似的冗餘。

爲了製造量子計算機，研究人員首先將數千個銣原子放在一個不透氣的容器中。然後，他們利用激光和磁鐵的作用力將原子冷卻到接近絕對零度的溫度——此時原子的量子特性最爲突出。在這種條件下，他們可以通過再次用激光照射原子來非常精確地控制原子的量子態。

他們首先從原子中產生了280個量子比特，然後再進一步，用另一個激光脈衝將其中的幾組量子比特糾纏在一起。例如，一次糾纏 7 個量子比特，從而產生一個邏輯量子比特。

通過這種方法，研究人員能夠一次製作多達48個邏輯量子比特：這比以前創造的邏輯量子比特數量多出10倍以上。

中性原子量子計算機體系結構

“擁有這麼多邏輯量子比特是件大事。”威斯康星大學麥迪遜分校的馬克·薩夫曼（Mark Saffman）說：“對於任何量子計算平臺來說，這都是一項非常了不起的成果。”他解釋道，新型量子計算機的原子由光控制，這使它受益匪淺，因爲這種控制非常高效。

QuEra的硬件使用中性原子，這有幾個優點。量子信息存儲在單個原子的核自旋中，在保持量子信息方面相對穩定；而且，由於特定同位素的每個原子都是等價的，因此不會像基於超導硬件的量子比特那樣存在設備間的差異；單個原子可以用激光來處理，而不需要佈線，原子還可以移動，這樣任何量子比特都有可能與其他量子比特相連。

當前，QuEra新一代的硬件支持多達280個基於原子的量子比特。爲了實現這一功能，這些原子可以在幾個功能區之間移動：一個是簡單的存儲區，在不對其進行操作或測量時，量子比特就存放在這裡；這裡既有使用中的邏輯量子比特，也有未使用的量子比特池，在執行算法的過程中可以調動這些量子比特。

此外，還有一個“糾纏區”和一個讀出區，前者是進行操作的地方，後者是測量單個量子比特狀態的地方，而不會干擾硬件中其他地方的量子比特。

中性原子量子比特的幾個方面使得操作邏輯量子比特變得更加容易。例如，對邏輯量子比特進行操作可以非常簡單，只需將組成邏輯量子比特的所有原子移入糾纏區，然後用激光照射這些原子，就可以對邏輯量子比特的所有組成原子同時進行相同的操作。對兩個邏輯量子比特也可以進行類似的操作，對它們進行門操作。

此外，獨立的測量區域允許在算法進行過程中移動和測量用於糾錯的量子比特，而不會干擾邏輯量子比特的任何其他組件。另外，在某些實驗中，這些量子比特被保存在內存中，直到算法完成；此時，如果有跡象表明發生了錯誤，就可以對它們進行測量並丟棄結果。

即使是初始化邏輯量子比特的過程，也顯示了其潛在的好處。通過選擇後來的測量結果顯示沒有錯誤跡象的實例，初始化的保真度達到了99.9%以上，遠高於單個硬件量子位初始化的成功率（99.3%）。

此次，研究小組在新計算機上實施了幾種計算機操作、代碼和算法，以測試邏輯量子比特的性能。他們發現，雖然這些測試比量子計算機最終要執行的計算更爲初步，但研究小組已經證實，使用邏輯量子比特導致的錯誤比使用物理量子比特的量子計算機要少。

在其中一種情況下，他們可以使用經典計算機來估計一系列操作的不同結果的概率；然後將其與實際操作進行比較。在沒有任何錯誤檢測的情況下，實驗結果中會出現相當大的噪音。但是，隨着研究人員更加嚴格地拒絕接受有誤差跡象的測量結果，結果逐漸變得更加清晰：一次測量的準確度從0.16上升到了0.62。

但是，這並不是完全糾錯。QuEra首席營銷官尤瓦爾·博格 (Yuval Boger)說：“論文中的情況是，只有在計算完成後纔會糾錯。因此，我們尚未展示的是中間電路糾錯（mid-circuit correction），即在計算過程中，我們測量......是否存在錯誤的指示，糾正錯誤，然後繼續前進。”

研究人員通常估計，完全容錯或無差錯的量子計算機將需要數千個邏輯量子比特，但普林斯頓大學的傑夫·湯普森（Jeff Thompson）說，令人興奮的是，在新的實驗中已經探索出了一些容錯的想法。他認爲此次成果無疑是向前邁進了一步，隨着基於原子的計算機的快速發展，必將取得更多進展。

湯普森說：“我們正在見證（原子計算機）的一些決定性時刻。”

下一步，是什麼？

QuEra是中性裡德堡原子和量子糾錯領域的領先企業。現在，他們的系統中已經有10,000個原子（未糾錯）。如果他們能將這些原子全部投入使用，那麼在短期內就能實現50-600個糾錯量子比特的目標，然後通過更好的擴展實現超越。

QuEra的方法是以較低的成本實現系統的擴展。每個互連器件的成本約爲10,000美元。隨着系統規模的擴大，減少這些系統和其他系統將能以更低的成本實現大規模量子糾錯系統。

2024年1月10日，QuEra將公佈新的發展路線圖

網絡研討會註冊地址：

https://quera.zoom.us/webinar/register/4917017114963/WN_PVZFpyPhTiqPb75Q519kQA#/registration

QuEra計劃在一月份提供一份未來發展路線圖。不過，我們還是可以推斷出相當一部分需要完成的工作。首先，正如博格所說，這並不是在計算過程中進行的完全糾錯，QuEra正在努力解決這個問題。此外，這些測試中使用的算法並不實用，因爲沒有商業客戶會付費運行這些算法。在這之前，邏輯量子比特數必須提高。

提高量子比特數的另一個原因是，正如這項工作所證明的那樣，邏輯量子比特使用的量子比特越多，錯誤率就越低。如果每個邏輯量子比特需要10個硬件量子比特，那麼目前的QuEra硬件一次只能承載22個量子比特。顯然，用48個量子比特來運行這些演示，意味着使用的量子比特少於10個，因此未捕捉到的錯誤比在更大的機器上可能出現的更多。

儘管如此，QuEra在其論文中指出，優化的控制和增強的激光功率應該能讓這種架構達到10,000個物理比特，因此應該有相當大的餘地。而且，由於所有控制操作都是通過激光來完成的，因此應該可以使用光子鏈路來連接獨立的硬件。博格還提到，通過縮短髮生錯誤的時間來提高讀出系統的性能。

但是，所有這些潛在進展的價值都建立在我們最終能夠對邏輯量子比特執行一系列複雜操作並實時糾正任何錯誤的信念之上。

現在，前半部分已經走出了信念的範疇，進入了已被證明的技術清單。

參考鏈接（上下滑動查看更多）：

[1]https://www.newscientist.com/article/2407145-quantum-computer-sets-record-on-path-towards-error-free-calculations/

[2]https://www.quera.com/press-releases/harvard-quera-mit-and-the-nist-university-of-maryland-usher-in-new-era-of-quantum-computing-by-performing-complex-error-corrected-quantum-algorithms-on-48-logical-qubits

[3]https://arstechnica.com/science/2023/12/quantum-computer-performs-error-resistant-operations-with-logical-qubits/

[4]https://www.nextbigfuture.com/2023/12/complex-error-corrected-quantum-algorithm-on-48-logical-qubits.html

[5]https://www.nextbigfuture.com/2023/12/rydberg-atom-quantum-computers-could-deploy-thousands-of-error-corrected-qubits-over-the-next-few-years.html

[6]https://financialpost.com/globe-newswire/harvard-quera-mit-and-the-nist-university-of-maryland-usher-in-new-era-of-quantum-computing-by-performing-complex-error-corrected-quantum-algorithms-on-48-logical-qubits