IT之家 2 月 11 日消息，量子计算机具有在某些问题上远超经典计算机的运算能力，但量子比特却会因干扰噪音的影响而失去量子特性。因此，实用的可容错量子计算机最终要求对量子纠错码（即逻辑量子比特）实现编解码和纠错，并在纠错保护下进行量子逻辑门操控，实现对量子信息的保护。量子纠错被公认为是实现可容错通用量子计算的核心问题。
初创公司 QuEra 宣布其开发的世界首台具有“逻辑量子位”的商用容错量子计算机将在 2024 年底推出，并拥有 256 个物理量子位和 10 个逻辑量子位。
IT之家注：逻辑量子位是由物理量子位（量子比特）通过量子纠缠连接而成，它通过将相同的数据存储在不同的地方来减少量子计算机中的错误，从而使计算过程中的故障点变得多样化。
值得一提的是，QuEra、哈佛大学和其他几所研究机构在 2023 年 12 月 6 日向《自然》杂志发表了一项新研究，其中就展示了一台运行良好的量子计算机，它包含 48 个逻辑量子位，这是迄今为止经过测试的最大数量的逻辑量子位。
论文作者、QuEra 和哈佛大学物理学家 Harry Zhou 在一封电子邮件中告诉 Live Science 说：“这是第一台具有量子纠错功能的机器。”
图源 Pixabay
虽然这台测试用的量子计算机本身没有足够的性能，但它为软件开发者提供了一个平台，可以用来测试未来量子计算机的代码。
众所周知，传统计算机使用二进制位存储信息（其值要么为 0，要么为 1），而量子计算机使用的量子位处于叠加状态（可以同时处于 0 和 1 之间的状态），而且量子位还可以通过量子纠缠组合在一起，同时存在于多个状态。这就使它们能够比传统计算机更快地执行更多的计算量，前提是包含足够数量的量子比特。
但要想提高数量也不是那么简单的事，量子位很容易受到干扰，大约每 1000 个量子位中就会有 1 个出现错误，而传统计算机一般 10 亿亿个比特中才会出现 1 个错误。
如果哪一台量子计算机能拥有数百万个量子位，那它将直接超越当今最强的超级计算机，但目前为止最大的量子计算机也只有大约 1000 个量子位，这种高故障率严重限制了人类对量子计算机的的研究速度。
实际上，在计算和通讯中出现错误是很自然的事。上世纪五十年代的早期经典计算机都是用电子管或继电器构建的比特，会毫无预兆地发生反转。为此，数学家冯·诺伊曼提出利用冗余比特来纠错的容错技术。冗余纠错很容易理解，比如说你电话中告诉别人你的名字，说一次不够就说 3 次“我是张三、张三、张三……”，次数越多，传错听错的概率就越小，冗余纠错的方法便类似于此。
目前来看，提高系统的可靠性一般有两种办法：一是对硬件缜密设计和质量控制，尽量减少出错的概率；二是以冗余为代价来换取可靠性，算是软件方面的努力。硬件的控制是有限的，必须利用软件编码来“容许”错误。
纠错可以抵消量子位易于出错的趋势，而构建逻辑量子位就是一种很巧妙的方法。据介绍，QuEra 极大地降低了量子位的错误率，其第一台使用该技术的商用机器就实现了 256 个物理量子位和 10 个逻辑量子位。
Harry Zhou 介绍称，新的纠错系统便是依赖于数据冗余，即同一份数据存储在多个位置。具体来说，相同的数据会存储在多个位置，而逻辑量子位可以在多个物理量子位上执行相同的计算，即使一个或多个物理量子位出现故障也可以保证计算继续进行，从而大大降低错误率。
研究人员通过将纠错代码应用于普通量子位来创建逻辑量子位。然后，他们在量子位之间建立逻辑门或电路，使其纠缠在一起。随后，量子计算机计算“综合征”，也就是衡量可能发生错误的程度。利用该信息，量子计算机可以纠正错误并进行下一步操作。
数据方面，谷歌量子人工智能实验室 2023 年曾使用三个逻辑量子位实现了 2.9% 的错误率，而 Quera 公司的错误率仅为 0.5%（使用 48 个逻辑量子位）。不过目前世界领先的是牛津大学，他们以双量子位实现了小于 0.01% 的错误率，实用意义不大。
值得一提的是，IBM 去年也展示了其 127 个量子位的 Heron 芯片的纠错技术，与其他芯片相比可使得错误率降低 80%，但其首台商用机器预计要到 2029 年才会问世。
QuEra 公司计划在 2025 年推出拥有 30 个逻辑量子位和 3000 个物理量子位的机器，计划在 2026 年推出一台拥有 10,000+ 个物理量子位和 100 个逻辑量子位的“性能猛兽”。
Harry Zhou 还透露：“拥有 100 个逻辑量子位的机器（2026 年）可以以超过当今（所有）超级计算机的能力进行正确的计算。”
