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“正式跃入逻辑量子比特时代”！意味着什么？
我们正处于量子计算的重大革命之中，这场革命有潜力重新定义计算和问题解决的边界。
此次，革命的核心在于向“逻辑量子比特时代”的过渡，预计将显著降低量子计算机的错误率。
为了充分理解这一发展的重要性，我们首先需要掌握量子计算机的基本组成部分——物理量子比特及其容易出错的特点。
量子比特的独特性质——包括能够处于叠加态（同时表示0和1）的能力，以及量子纠缠，为量子计算机解决一些传统上被认为难以攻克的问题提供了可能。
但是，这些物理量子比特无论采用何种实现形式，都极易受到环境噪声、控制机制不完善和量子态本身脆弱性的影响而出错。
量子比特的这种易错性极大限制了量子计算机的实用性。即便是实现了所谓的99.9%高保真度，每1000次操作中也会有一次发生错误。
在需要数千甚至数百万量子比特操作的量子计算领域，这样的错误率是令人望而却步的。
如果无法累积大量错误，从而保证结果的可靠性，那么进行长期计算几乎是不可能的。
相比之下，经典计算机的错误率几乎可以忽略不计。
得益于高度可靠的半导体技术和复杂的纠错方法，经典计算机的错误率低至每五万亿次运算才会出现一次错误。
这种卓越的可靠性是现代计算能力的基石，使得从简单的算术运算到复杂的模拟和数据处理都成为可能。
逻辑量子比特是通过对多个物理量子比特进行编码来构建的，旨在防止错误的发生。
与直接代表实际量子硬件的物理量子比特不同，逻辑量子比特代表了一个更高层次的抽象，是容错量子计算中采用的概念。
它们提供了一种在存在噪声和错误的环境下执行可靠量子计算的策略：通过将单个物理量子比特的信息分散到多个物理量子比特中，逻辑量子比特能够引入一定的冗余和错误保护机制。
然而，仅仅提高物理量子比特的保真度似乎不够以弥补这一差距——这就是量子纠错和逻辑量子比特概念显得尤为重要的原因。
逻辑量子比特的概念类似于经典计算中采用的重复代码，其中信息通过在多个比特上的重复来防止错误。
但物理学中的不可克隆定理规定，量子比特不能简单地被复制，因此量子纠错策略中，逻辑量子比特的状态是通过分散到多个物理量子比特上来实现的。
这种冗余允许检测和纠正单个物理量子比特可能出现的错误，从而维护量子信息的完整性，并显著降低错误率。
通过逻辑量子比特的使用，我们能够开始挖掘量子计算机的真正潜力。
通过将多个物理量子比特组合成一个逻辑量子比特，量子纠错引入了容错功能。
即使其中一个或多个物理量子比特发生错误，逻辑量子比特的整体状态仍然可以被保留，并可以根据其余未变化的物理量子比特的状态进行重建。
这种方法显著提高了量子计算机的稳定性和可靠性，使其能够执行更长时间、更复杂的计算任务而不出错。
一般而言，构成每个逻辑量子比特的物理量子比特越多，其错误率就越低。
尽管逻辑量子比特和量子纠错领域仍处于不断研究和探索之中，关于最有效的纠错码、物理量子比特与逻辑量子比特之间最佳比例以及如何实现这些系统的实际挑战等问题仍然存在。
因此，研究人员正致力于探索各种策略和设计，以最大限度地提高逻辑量子比特的效率和可行性。
尽管面临不少挑战，哈佛大学与QuEra Computing、麻省理工学院、NIST和UMD的合作成果已经揭示了这一时代的序幕。
这一成就不仅证实了技术的实用性，更是大幅缩短了我们距离实现功能强大、影响深远的量子计算机的距离，为新一代纠错量子计算机奠定了基础。
IBM与哈佛大学/QuEra的研究进一步证明，通过增强每个物理量子比特与其邻近量子比特的相互作用，可以构建出更为高效的逻辑量子比特，从而减少构建它们所需的物理量子比特数量。
这一发现极为重要，因为它意味着具有特定数量物理量子比特的设备能够支持更多的逻辑量子比特，使得执行更复杂的计算成为可能。
微软的研究报告《评估扩展到实用量子优势的要求》指出，根据具体的应用场景，所需的逻辑量子比特数量可能从数百到数千不等，例如模拟复杂化学过程或解决大规模优化问题。
论文链接：https://arxiv.org/abs/2211.07629
这项研究提供了一个估算不同应用所需量子资源的框架，同时考虑了错误率和计算复杂性等因素。
这项工作强调了继续发展可扩展且稳健的逻辑量子比特架构的重要性，因为实现足够数量的逻辑量子比特是开启量子计算变革潜力的关键。
在未来几年，量子计算机中物理量子比特的数量可能不再是用户的关注点，正如他们不会关心最新智能手机中晶体管的数量一样；相反，人们将更加关注逻辑纠错量子比特的数量，因为这决定了计算的复杂度和深度。
过渡到逻辑量子比特时代关键在于充分利用量子计算的潜能。
通过解决量子计算中的基本纠错挑战，逻辑量子比特铺平了通向更可靠、更稳定及更实用量子计算机的道路。
随着对这一领域深入研究的推进，我们可以预期量子计算在药物发现、优化问题解决、人工智能等多个领域中做出重大贡献。
总之，逻辑量子比特时代不仅代表了科学的重大进步，也预示着量子计算潜在的颠覆性变革。