什么是邏輯量子比特？怎樣用其實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)呢？

邏輯量子比特（Logical Qubit）由多個(gè)物理量子比特組成，可作為量子計(jì)算系統(tǒng)的基本計(jì)算單元，因其具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)性能而備受關(guān)注。

一、量子計(jì)算技術(shù)進(jìn)步依賴于更強(qiáng)糾錯(cuò)能力

（一）量子計(jì)算面臨更多的噪聲與錯(cuò)誤，糾錯(cuò)技術(shù)不可或缺

2019年10月，谷歌公司發(fā)布“Sycamore”量子計(jì)算原型機(jī)，一度引發(fā)轟動(dòng)。自此，全球科學(xué)家不斷推出新的研究，將量子計(jì)算性能推向更高的水平。但是，Sycamore的原型機(jī)在執(zhí)行隨機(jī)線路采樣中的保真度極低。這也引發(fā)了科研人員對(duì)于量子糾錯(cuò)的思考和探索。

計(jì)算設(shè)備不可避免地會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，包括經(jīng)典計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)都是如此。經(jīng)典計(jì)算機(jī)通過重傳糾錯(cuò)、前向糾錯(cuò)和糾錯(cuò)碼等方式對(duì)運(yùn)算中的錯(cuò)誤進(jìn)行糾正。而糾錯(cuò)對(duì)于量子計(jì)算機(jī)而言，是與提升運(yùn)算性能同等重要，甚至更重要的問題。由于量子計(jì)算機(jī)中的量子比特非常容易受到環(huán)境中的噪聲和干擾，因此它們的狀態(tài)非常不穩(wěn)定，很容易失去量子特性，使用量子位的幾乎每個(gè)方面都容易出錯(cuò)：設(shè)置初始狀態(tài)、狀態(tài)的維護(hù)、執(zhí)行操作以及讀出狀態(tài)都可能引入錯(cuò)誤，從而使量子算法無法產(chǎn)生有用的結(jié)果。因此，如何保持量子比特的穩(wěn)定性和正確性，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤，是量子計(jì)算機(jī)發(fā)展中的一大挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對(duì)量子計(jì)算糾錯(cuò)挑戰(zhàn)，研究人員一直在進(jìn)行相關(guān)嘗試，2023年以來誕生了不少新成果：2023年3月，深圳量子研究院研究人員在基于超導(dǎo)量子線路系統(tǒng)的量子糾錯(cuò)領(lǐng)域取得突破性的重大實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，通過實(shí)時(shí)重復(fù)的量子糾錯(cuò)技術(shù)延長了量子信息的存儲(chǔ)時(shí)間，在國際上首次超越盈虧平衡點(diǎn)；4月，美國耶魯大學(xué)通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)調(diào)整量子糾錯(cuò)過程，將量子比特的相干時(shí)間提高到1.8毫秒；6月，IBM公司通過對(duì)量子噪聲進(jìn)行建模，開發(fā)出一種零噪聲外推（Zero Noise Extrapolation）算法來推算出沒有噪聲的計(jì)算結(jié)果；12月，亞馬遜AWS展示一種被動(dòng)糾錯(cuò)方法，將量子計(jì)算的錯(cuò)誤率降低到原來的1/100。

（二）量子糾錯(cuò)具有三條主要路線

量子糾錯(cuò)的基本思想是使用一些額外的量子比特來檢測和糾正主要的量子比特中的錯(cuò)誤，或是降低噪聲產(chǎn)生的影響等，主要有以下幾種路線：

一是量子糾錯(cuò)碼：通過將多個(gè)物理量子比特編碼為一個(gè)或多個(gè)邏輯量子比特，然后通過測量和校正來檢測和修復(fù)錯(cuò)誤。量子糾錯(cuò)碼有很多種類，如表面碼、色碼、積碼、坦納碼等，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的物理系統(tǒng)和量子任務(wù)，可以在主要的量子比特發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，通過糾錯(cuò)碼的檢測和糾正來修復(fù)這些錯(cuò)誤。這樣，即使環(huán)境噪聲和干擾很強(qiáng)，也可以保證量子計(jì)算的正確性。

二是量子誤差緩解：通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)后處理來降低測量結(jié)果的誤差。量子誤差緩解有多種方案，如外插法、準(zhǔn)概率分解法、張量網(wǎng)絡(luò)法等，它們可以在不增加硬件資源的情況下，提高量子計(jì)算的精度和穩(wěn)定性。

三是量子誤差校正：通過利用統(tǒng)計(jì)學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)，對(duì)量子系統(tǒng)的錯(cuò)誤行為進(jìn)行建模和估計(jì)，然后通過酉變換運(yùn)算來消除或減少錯(cuò)誤的影響。量子誤差校正有多種方法，例如零噪聲外推、錯(cuò)誤消除、錯(cuò)誤校正等，它們可以在不需要編碼和解碼的情況下，提高量子計(jì)算的效率和可靠性。

二、邏輯量子比特的糾錯(cuò)方法展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢

中性原子架構(gòu)是當(dāng)前主流的量子比特類型之一，其優(yōu)勢是中性原子的一致性高，可以在量子比特間實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；ミB，這也是在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)容納280個(gè)物理量子比特、48個(gè)邏輯量子比特的關(guān)鍵。但是，也面臨原子損失和負(fù)載較大、可擴(kuò)展性有限的挑戰(zhàn)。與標(biāo)準(zhǔn)量子比特不同，邏輯量子比特能夠更好地進(jìn)行計(jì)算而不受錯(cuò)誤的影響。

量子計(jì)算面臨的主要挑戰(zhàn)之一是維護(hù)和操作量子信息。為解決這個(gè)問題，研究人員開發(fā)了糾錯(cuò)邏輯量子比特作為主要解決方案，通過多個(gè)物理量子比特構(gòu)建邏輯量子比特，通過48個(gè)邏輯量子比特的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了迄今為止最強(qiáng)大的糾錯(cuò)性能，展示了7的代碼距離，能夠檢測和糾正糾纏邏輯門操作期間發(fā)生的任意錯(cuò)誤。碼距越大意味著對(duì)量子錯(cuò)誤的抵抗力越高。在使用多達(dá)280個(gè)物理量子比特的情況下，研究人員僅需編寫不到10個(gè)控制信號(hào)即可執(zhí)行所有必要操作。相比之下，其他系統(tǒng)可能需要數(shù)百個(gè)控制信號(hào)來處理相同數(shù)量的量子比特。

邏輯量子比特示意圖 圖源：Nature

這個(gè)新成果為傳統(tǒng)觀點(diǎn)帶來新的挑戰(zhàn)，即開發(fā)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)不再需要數(shù)百萬個(gè)物理量子比特。

三、邏輯量子比特和大規(guī)模量子互連可能是容錯(cuò)量子計(jì)算的未來

未來，量子計(jì)算機(jī)將朝著高算力、強(qiáng)拓展、強(qiáng)糾錯(cuò)的方向發(fā)展。而量子糾錯(cuò)技術(shù)的發(fā)展方向，可能是在嘈雜的系統(tǒng)上減少錯(cuò)誤，或者在有限數(shù)量的糾錯(cuò)量子比特上構(gòu)建更大規(guī)模的量子計(jì)算系統(tǒng)。再加以構(gòu)建各類邏輯門，最終實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)，展現(xiàn)出前所未有的強(qiáng)大性能，幫助人類走向更廣闊的星辰大海。






審核編輯：劉清