谷歌新量子芯片實(shí)現(xiàn)精度里程碑
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】近日，谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)宣布了一項(xiàng)重大突破，他們在新研發(fā)的量子芯片上實(shí)現(xiàn)了“低于表面碼閾值的量子糾錯(cuò)”(Quantum Error Correction Below the Surface Code Threshold)。這一里程碑式的成就不僅大幅降低了量子計(jì)算的錯(cuò)誤率，還顯著延長了量子信息的存儲壽命，為未來實(shí)現(xiàn)具備實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
量子計(jì)算的核心挑戰(zhàn)之一在于量子信息的脆弱性。由于量子態(tài)的敏感性，任何微小的擾動(dòng)都可能導(dǎo)致信息的丟失或錯(cuò)誤。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，量子糾錯(cuò)理論應(yīng)運(yùn)而生。該理論通過將量子信息分散到多個(gè)物理量子比特上，形成一種稱為“邏輯量子比特”的糾錯(cuò)編碼，從而在理論上提高了信息的抗噪能力。
然而，要使這種技術(shù)在實(shí)踐中發(fā)揮作用，就必須證明這種將信息分散到多個(gè)量子比特上的方法可以有效降低錯(cuò)誤率。谷歌團(tuán)隊(duì)在最新的研究中，通過表面碼糾錯(cuò)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。
表面碼是一種拓?fù)浯a，具有良好的可擴(kuò)展性和工程實(shí)現(xiàn)價(jià)值，特別適合于超導(dǎo)量子芯片。谷歌團(tuán)隊(duì)在一片包含105個(gè)量子比特的芯片中實(shí)現(xiàn)了碼距為7(d=7)的表面碼糾錯(cuò)，同時(shí)在一片72量子比特芯片中實(shí)現(xiàn)了碼距為5(d=5)的表面碼糾錯(cuò)及其實(shí)時(shí)解碼。
在兩種情況下，編碼后的邏輯量子比特中的信息存儲壽命均高于所有參與編碼的物理量子比特的壽命，即超過了糾錯(cuò)的“盈虧平衡點(diǎn)”。具體來說，碼距為7的邏輯量子比特壽命達(dá)到了291微秒，而所有參與編碼的量子比特平均壽命為85微秒，最高119微秒。這意味著量子糾錯(cuò)讓量子信息的存儲壽命延長了2.4倍。
除了表面碼糾錯(cuò)技術(shù)的成功應(yīng)用，谷歌團(tuán)隊(duì)還首次在d=5的糾錯(cuò)流程中實(shí)現(xiàn)了長時(shí)間的連續(xù)實(shí)時(shí)解碼。實(shí)時(shí)解碼對于實(shí)用的容錯(cuò)量子計(jì)算是必要的，因?yàn)樗试S系統(tǒng)在需要時(shí)立即糾正錯(cuò)誤。然而，由于超導(dǎo)量子體系中門執(zhí)行的速度非?？?，解碼器必須在同樣短的時(shí)間內(nèi)完成解碼，這對解碼器的性能提出了極高的要求。
谷歌團(tuán)隊(duì)開發(fā)的解碼器在一百萬個(gè)周期下，平均延時(shí)為63微秒，沒有表現(xiàn)出延時(shí)隨周期數(shù)逐漸增長的情況。這一成就表明解碼器能夠跟上糾錯(cuò)碼的執(zhí)行節(jié)奏，為實(shí)現(xiàn)實(shí)用的容錯(cuò)量子計(jì)算提供了重要支持。
為了探索系統(tǒng)的錯(cuò)誤率背景極限，谷歌團(tuán)隊(duì)還測試了碼距為29的“重復(fù)碼”。測試結(jié)果表明，在碼距達(dá)到大約25之后，邏輯錯(cuò)誤率就飽和了，約為百億分之一(10^-10)的水平。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這一背景錯(cuò)誤率來源于大約每小時(shí)發(fā)生一次的不明來源的關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤。這一發(fā)現(xiàn)為未來量子糾錯(cuò)技術(shù)的研究提供了新的方向。
谷歌的這項(xiàng)突破不僅展示了量子糾錯(cuò)技術(shù)的巨大潛力，還為未來量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過不斷改進(jìn)糾錯(cuò)技術(shù)和提高量子芯片的性能，谷歌團(tuán)隊(duì)有望在未來實(shí)現(xiàn)更低的錯(cuò)誤率和更高的計(jì)算精度。這將使得量子計(jì)算機(jī)能夠解決目前無法解決的復(fù)雜問題，并在科學(xué)發(fā)現(xiàn)、藥物研發(fā)、材料科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
相關(guān)研究成果Quantum error correction below the surface code threshold于近日發(fā)表于國際期刊《自然》(nature )。
參考來源：中國科學(xué)報(bào)
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