谷歌新量子芯片實現(xiàn)精度里程碑
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】近日，谷歌量子AI團隊宣布了一項重大突破，他們在新研發(fā)的量子芯片上實現(xiàn)了“低于表面碼閾值的量子糾錯”(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算的錯誤率，還顯著延長了量子信息的存儲壽命，為未來實現(xiàn)具備實用價值的量子計算機奠定了堅實基礎(chǔ)。
量子計算的核心挑戰(zhàn)之一在于量子信息的脆弱性。由于量子態(tài)的敏感性，任何微小的擾動都可能導(dǎo)致信息的丟失或錯誤。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，量子糾錯理論應(yīng)運而生。該理論通過將量子信息分散到多個物理量子比特上，形成一種稱為“邏輯量子比特”的糾錯編碼，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)在實踐中發(fā)揮作用，就必須證明這種將信息分散到多個量子比特上的方法可以有效降低錯誤率。谷歌團隊在最新的研究中，通過表面碼糾錯技術(shù)，成功實現(xiàn)了這一目標(biāo)。
表面碼是一種拓撲碼，具有良好的可擴展性和工程實現(xiàn)價值，特別適合于超導(dǎo)量子芯片。谷歌團隊在一片包含105個量子比特的芯片中實現(xiàn)了碼距為7(d=7)的表面碼糾錯，同時在一片72量子比特芯片中實現(xiàn)了碼距為5(d=5)的表面碼糾錯及其實時解碼。
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，即超過了糾錯的“盈虧平衡點”。具體來說，碼距為7的邏輯量子比特壽命達到了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。這意味著量子糾錯讓量子信息的存儲壽命延長了2.4倍。
除了表面碼糾錯技術(shù)的成功應(yīng)用，谷歌團隊還首次在d=5的糾錯流程中實現(xiàn)了長時間的連續(xù)實時解碼。實時解碼對于實用的容錯量子計算是必要的，因為它允許系統(tǒng)在需要時立即糾正錯誤。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。
谷歌團隊開發(fā)的解碼器在一百萬個周期下，平均延時為63微秒，沒有表現(xiàn)出延時隨周期數(shù)逐漸增長的情況。這一成就表明解碼器能夠跟上糾錯碼的執(zhí)行節(jié)奏，為實現(xiàn)實用的容錯量子計算提供了重要支持。
為了探索系統(tǒng)的錯誤率背景極限，谷歌團隊還測試了碼距為29的“重復(fù)碼”。測試結(jié)果表明，在碼距達到大約25之后，邏輯錯誤率就飽和了，約為百億分之一(10^-10)的水平。團隊發(fā)現(xiàn)這一背景錯誤率來源于大約每小時發(fā)生一次的不明來源的關(guān)聯(lián)錯誤。這一發(fā)現(xiàn)為未來量子糾錯技術(shù)的研究提供了新的方向。
谷歌的這項突破不僅展示了量子糾錯技術(shù)的巨大潛力，還為未來量子計算機的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。通過不斷改進糾錯技術(shù)和提高量子芯片的性能，谷歌團隊有望在未來實現(xiàn)更低的錯誤率和更高的計算精度。這將使得量子計算機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
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