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谷歌达成量子计算机第二里程碑,实现量子计算纠错

2023-02-24 17:16:55 综合报道 阅读:
2月24日,谷歌CEO Sundar Pichai撰写博客,称公司量子计算又向前迈了一大步。谷歌量子AI团队有史以来首次通过实验证明:可以通过增加量子比特的数量来减少错误。在其最新的研究中,谷歌用49个物理量子比特制作的逻辑量子比特超越了用17个量子比特制作的逻辑量子比特。

2月24日,谷歌CEO Sundar Pichai撰写博客,称公司量子计算又向前迈了一大步。谷歌量子AI团队有史以来首次通过实验证明:可以通过增加量子比特的数量来减少错误。在其最新的研究中,谷歌用49个物理量子比特制作的逻辑量子比特超越了用17个量子比特制作的逻辑量子比特。相关的研究成果——《Suppressing Quantum Errorsby Scalinga Surface Code Logical Qubit》在《Nature》杂志上发表,谷歌也达成了通往实用量子计算机的第二个里程碑。pWyednc

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对于普通计算机,通过比特(可以表示0或1)来存储信息,并将部分信息复制到冗余的“纠错”比特上。当出现错误时,比如杂散电子穿过了绝缘屏障,或者宇宙射线干扰了电路,芯片就能自动发现问题并修复。但是,量子计算机是在量子比特上运算,量子比特可以被设置为0、1,或者同时设置为0和1的任意混合,比如30%的0和70%的1。这意味着量子比特不能被读出,否则它的量子状态将会丢失。因此,量子计算机不能像普通计算机那样,简单地将部分信息复制到冗余量子比特上。pWyednc

同时,量子计算机更容易受物理系统背景“噪声”(或干扰)影响而出现错误,因而构建大型可靠的量子计算机离不开量子纠错。当前的一种被寄予希望的量子纠错方法是使用纠错码,即通过一组物理量子位形成一个逻辑量子位。该系统被称为表面码逻辑量子位。一般而言,扩展这样的系统意味着需要操作更多量子位,但这可能引入更多逻辑错误。为使逻辑性能随着编码规模增加而改善,总体的纠错需超过增加的逻辑错误。pWyednc

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谷歌此次的研究成果就是提出了一种具有超导量子比特的表面码。表面码是一组量子纠错码。它将逻辑量子比特编码为物理量子比特的d×d平方的联合纠缠态,称为数据量子比特。逻辑量子比特状态由一对反交换逻辑可观测量X˪和Z˪定义,如下图a表示,是一个72量子比特的Sycamore量子计算机原理图。其中嵌入了distance-5的表面编码,由25个数据量子比特(黄色)和24个测量量子比特(蓝色)组成。每个测量量子比特和一个稳定器(stabilizer,蓝色方块)相关联,逻辑运算符Z˪和X˪遍历数组,在左下角的数据量子比特相交。右上角的红色框的象限,是4个distance-3表面码的子集之一,这是和distance-5表面码作比较的对照。pWyednc

为了检测错误,会周期性地测量相邻数据量子比特簇的X和Z奇偶校验。如下图b所示,每个测量量子比特都和相邻的数据量子比特相互作用,将联合数据量子比特奇偶校验映射到测量量子比特状态,然后测量量子比特状态。每个奇偶校验量或稳定器,都与编码的量子比特的逻辑观测值以及其他稳定器交换。因此,可以在奇偶校验测量发生意外变化时检测到错误,并不会干扰逻辑量子比特的状态。pWyednc

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最终研究团队的研究成果显示,在72个量子比特的超导量子处理器上:pWyednc

  • distance-5逻辑量子比特(基于49个物理量子比特),每周期的逻辑错误为2.914%。
  • distance-3逻辑量子比特(基于17个物理量子比特),每周期的逻辑错误为3.028%。

研究成果表面该研究团队实现了量子计算发展的关键量子计算纠错。谷歌量子计算部门负责人表示,尽管他们的方法只能将错误率降低一点,但这意味着谷歌已经突破了“平衡点”。pWyednc

责编:Ricardo
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