根本性突破：无差错量子计算成为现实

一直以来，无论是研究界还是工业界，量子计算始终面临着一个巨大的挑战，那便是纠错。

然而最新研究表明，研究人员在量子比特上执行了有史以来第一次无错误的通用计算操作，也就是说，量子计算机在执行计算时可能不需要再进行纠错。

这一进展无疑是量子计算发展史上的一个巨大飞跃，这意味着通用量子计算机，不远了。

01. 量子计算现状

量子计算作为一个热门词汇， 目前看来， 在炒作方面的情况可能仅次于人工智能。然而，科技巨头谷歌、IBM、霍尼韦尔、阿里巴巴、华为等均加入到了该赛道中。而且，各国都在争相建造全球首台通用量子计算机。

然而，如何建造通用量子计算机的关键点，取决于能否实施量子纠错（Quantum-Error Correction）。

今天，虽然我们已经拥有了量子计算机，但是，当前公布的量子计算机，如IBM的 IBM “Quantum System One ”、霍尼韦尔的“H1”、Google 的“Sycamore”、以及国内本源量子的“悟源”等，都需要通过纠错才能得到正确的结果。

02. 错误的产生

提及量子纠错，追本溯源，最重要的一个便是克服“噪声”，因为许多量子系统本身对外部环境高度敏感，噪声的产生是因为物理系统和自然系统并不是孤立存在的，它们仅仅是一个更大环境中的一部分，该环境内有许多粒子，且每个粒子都在不同的、未知的方向上运动，这种随机性会产生热波动。

也就是说，量子比特在运行时设备中的噪声已经存在。

在处理测量计算时，噪声影响，使计算结果表现出误差。 所以，我们所说的消除“噪声”或者误差，即是消除存储在设备中的数据的随机波动。

03. 传统的纠错方法

噪声的存在将削弱量子计算机的大量计算能力。 而传统的减少噪声的方法是通过捕获噪声产生的各种可能性以通过相关的算法或添加更多的量子辅助比特来降低噪声产生的误差。

但是，算法的开发将耗费大量的资源，而通过添加量子辅助比特则可能需要数千个标准量子比特才能创建一个高度可靠的逻辑量子比特（Logic Qubits）。

04. 首次实现容错通用门操作

近日，由因斯布鲁克大学、德国亚琛工业大学研究人员组成的研究团队已成功实现了对两个逻辑量子比特的一组计算操作，可用于实现任何可能操作的比特。该研究已发表于《Nature》[1]。

来自因斯布鲁克的实验物理学家 Lukas Postler 说：“对于现实世界的量子计算机，我们需要一套通用的门，我们可以用它来编程所有算法。”

研究人员团队在具有 16 个被捕获原子的离子阱量子计算机上实现了这个通用门集。量子信息存储在两个逻辑量子比特中，每个量子比特的信息被分布在七个原子上，该团队在量子比特上执行了第一次无错误的通用计算操作。

此处所说的 "通用 "是什么意思？即使用两个特定量子逻辑门的不同排列和配置，就可表示所有的操作。这两个门是受控非门 (CNOT) 和T门。

CNOT门是一种双量子比特操作，当且仅当第一个量子位处于1（而不是0）状态时，第二个量子比特被翻转。而T门，在容错量子比特上特别难以实现，因为它改变了目标量子比特的相位。

来自德国亚琛工业大学和尤利希研究中心的理论物理学家Markus Müller说："T门是非常基本的操作，它们特别有趣，因为没有T门的量子算法可以在经典计算机上相对容易地模拟，从而否定了任何可能的速度提升。

对于有T门的算法来说，这就不再可能了。”物理学家通过在逻辑量子比特中准备一个特殊状态并通过纠缠门操作将其传送到另一个量子比特来演示 T 门。

05. 复杂性增加，但准确性也增加

在编码的逻辑量子比特中，存储的量子信息受到保护，不会出错。但是如果没有计算操作，这是没有用的，而且这些操作本身很容易出错。

研究人员已经在逻辑量子比特上实施了操作，使得由底层物理操作引起的错误也可以被检测和纠正。因此，他们在编码的逻辑量子比特上实现了第一个通用门集的容错实现。

团队负责人兼因斯布鲁克大学实验物理学家 Thomas Monz 说："容错实现比非容错操作需要更多的操作，这将在单个原子的尺度上引入更多的错误，但是逻辑量子比特上的实验操作比非容错逻辑操作要好，工作量和复杂性都会增加，但最终的质量会更好。”他们通过使用经典计算机上的数值模拟对实验结果进行了检查和确认。

该团队已经证明了无错误的量子计算是可能的，已经展示了在量子计算机上进行容错计算的所有构建模块。现在的目标是在更大、更有用的量子计算机上实现这些方法。

引用：

[1]https://doi.org/10.1038/s41586-022-04721-1