量子计算机有朝一日或将远超地球现存最强超级计算机 —— 但前提是科学家必须找到修正量子比特极高错误率的方法。在解决某些世界级棘手难题时，量子计算有望让经典计算望尘莫及。然而当今最先进的量子机器存在一个致命弱点：它们极易出错。

这正是该领域争相开发量子纠错（QEC）方案的原因 —— 这些技术能缓解量子计算与生俱来的不可靠性。通过在量子比特信息编码中构建冗余机制，即便计算过程中出现部分错误，整个运算也不会崩溃。若不进行额外纠错，量子比特的错误率约为千分之一，而经典计算比特的错误率仅为万亿分之一。

但量子力学的特殊性质使得其纠错过程远比经典系统复杂。要实现这些技术的规模化应用，还需要比当前领先设备庞大得多的量子计算机。近年来该领域已取得重大突破，去年12月谷歌量子计算团队的里程碑成果将这一进展推向高潮。该公司推出的新型"柳树"量子处理器首次确凿证明：量子纠错技术可扩展至解决实际问题所需的大型设备规模。

"这是里程碑式的成果，首次证实量子纠错确实有效，"爱丁堡大学创新研究员、《量子纠错》2019年研究报告作者约施卡·罗菲向媒体表示，"虽仍有长路要走，但这堪称概念验证的第一步。"

为何需要量子纠错？

量子计算机能利用纠缠与叠加等奇异量子现象高效编码数据，并实现并行计算（经典计算机仅能顺序计算）。因此针对特定问题，系统每增加一个量子比特，算力就会呈指数级增长。但这些量子态本质极其脆弱，最微小的环境干扰都会导致其坍缩。

为此量子计算机会竭力隔绝量子比特与外部干扰，通常采用超低温环境、真空密封或将信息编码至与环境相互作用微弱的光子中。即便如此，错误仍会以远高于经典设备的概率渗入系统。罗菲指出，谷歌最先进量子处理器的逻辑操作失败率仍高达百分之一。

"我们必须找到弥合这一鸿沟的方法，才能真正用量子计算机运行那些令人振奋的预期应用，"他解释道。

量子纠错方案源自1940年代为早期计算机开发的思路 —— 当时设备的可靠性远不如现代芯片。虽然现代芯片已无需纠错，但这些方案仍广泛应用于易受噪声影响的数字通信系统。其核心原理是通过信息冗余实现纠错。罗菲表示，最简单的实现方式是重复发送相同信息（即重复码），即使部分副本存在错误，接收方仍能根据最高频出现的信息还原原始内容。

但罗菲指出，这种方法无法直接移植到量子领域。量子计算机中用于编码信息的量子态一旦与外界环境（包括测量行为）发生相互作用就会坍缩，这被称为"不可克隆定理"。因此研究人员不得不设计更复杂的冗余构建方案。

逻辑量子比特为何至关重要？

量子信息的基本单元是可编码于超导电路、囚禁离子、中性原子及光子等多种物理系统的量子比特。这些"物理量子比特"本身易错，但借助量子纠缠现象，能将一个量子信息单元分散至多个物理比特中。罗菲解释道，当多个物理量子比特纠缠时，就能在所有比特间编码共享量子态，即形成"逻辑量子比特"。这种分布式存储创造了冗余机制，即使部分物理比特出错，核心信息也不会丢失。

然而IBM研究员多米尼克·威廉姆森向媒体透露，纠错过程的复杂性在于：直接测量物理量子比特会导致其坍缩。"因此必须更精巧地设计测量方式，可以理解为测量量子比特间的关联性而非单个状态。"

具体实现需要"数据量子比特"与"辅助量子比特"协同工作。每个辅助比特会与一组数据比特相互作用，通过奇偶校验检测错误（无需直接测量单个状态）。当数据比特因错误改变数值时，校验结果就会翻转，经典算法通过分析多组辅助比特的测量数据即可定位故障。确定错误位置后，即可对逻辑量子比特执行修正操作。

主流纠错方案有哪些？

虽然所有量子纠错方案都遵循上述流程，具体实现却大相径庭。研究最广泛的是"表面码"技术 —— 将逻辑量子比特分布在二维网格的数据比特中，并穿插辅助比特。这种方案特别适合谷歌和IBM研发的超导电路量子计算机，因其物理比特本就呈网格状排列。

但威廉姆森指出，表面码的每个辅助比特仅能与相邻数据比特交互，虽易于实现却效率偏低。据估算，每个逻辑量子比特需约1000个物理比特。这促使学界日益关注"低密度奇偶校验码"（LDPC），其依托远程量子比特交互可大幅减少总需求量。不过实现长程物理连接颇具挑战性（中性原子与囚禁离子技术因可移动物理比特而相对简化）。

罗菲强调，实现这些方案的前提是将单个量子比特错误率降至关键阈值以下。若硬件基础不可靠，错误累积速度将超越纠错能力（无论增加多少量子比特）。反之若错误率足够低，增加量子比特能使纠错效能呈指数级提升。

谷歌的最新研究首次为此提供了可信证据。通过105个量子比特的"柳树"芯片实验，研究人员证明：采用表面码方案时，量子比特数量每翻倍，错误率便减半。罗菲表示："要实现错误率降低万亿倍的目标仍任重道远，但这项突破为构建能实质性抑制错误率的大型表面码铺平了道路。"

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