量子计算新突破！谷歌“魔态培育”技术大幅降低错误率并创纪录

徽声在线10月16日讯（编辑 李明轩）量子计算领域正迎来一场革命性的变革，其潜力在于能够同时探索多种可能性，从而实现计算能力的指数级飞跃。然而，就目前的技术水平而言，我们距离这一宏伟目标仍有不小的差距。

在量子计算的世界里，光子（即光粒子）扮演着量子比特的角色。当这些量子比特相互连接时，它们所展现出的处理能力远超传统计算机所依赖的二进制0和1。量子比特能够同时处于0和1的叠加状态，这种独特的性质使得它们能够以惊人的速度处理信息。

然而，量子比特也面临着频繁出错的挑战，这在一定程度上限制了量子计算机的发展。为了攻克这一难题，科学家们提出了利用“魔态”的概念。谷歌研究院的专家们认为，他们新研发的量子芯片或许能够为这一目标的实现提供有力支持。

本周四，相关研究成果在《科学》杂志上正式发表。据透露，谷歌在其先进的Willow处理器上成功验证了一种名为“魔态培育”的创新技术。这一技术显著降低了量子错误率，降幅高达约40倍。具体来说，未使用培育技术时，每1000份魔态中约有4份存在错误；而采用培育技术后，错误率大幅降低至每1万份中仅有1份出错。同时，T态逻辑保真度也达到了惊人的99.99%，刷新了该领域的世界纪录。

“魔态”在通用量子计算中扮演着至关重要的角色。量子处理器若要执行超越经典计算机的复杂运算，就必须依赖魔态来生成所需的量子操作集合。然而，魔态一旦被使用便无法再次利用，因此成为了极为稀缺的资源。此外，以足够低的错误率生成魔态，一直是构建实用型大规模量子系统所面临的一大难题。

不仅如此，生产成本也是一大挑战。有研究估算显示，量子计算机可能需要将高达95%的总算力用于魔态的生产，导致实际计算任务可用的资源极为有限。这一瓶颈问题自2004年被研究人员发现以来，学界一直在探索降低魔态生产成本的方法，但进展相对缓慢。

在这项新研究中，研究人员展示了一种名为“培养”的、受园艺启发的新技术，该技术能够以更低的成本提供高质量的“魔态”。

这一研究成果对2024年提出的理论方法进行了有力的实验验证。当时，谷歌量子AI的研究人员Craig Gidney、Noah Shutty与Cody Jones在既有文献的基础上，共同提出了魔态培育的方案。

该方案的核心思路是将魔态生产过程设计为一套高效的“过滤机制”。谷歌利用协同测量的技术来检测错误，并过滤掉无效的尝试，从而以更少的资源生成更高质量的量子态。

最新研究进一步证实，在Willow超级计算机上，该方法对T态（量子计算中一种特殊的量子态）实现了99.99%的逻辑保真度，再次刷新了该领域的纪录。

除了显著减少错误外，谷歌的研究人员还成功证明，纯化的量子态可以在两种不同的纠错方法之间自由转移。这一发现标志着该技术在集成到谷歌现有量子计算架构方面取得了重要进展。

尽管取得了上述显著进展，但谷歌也明确表示，要将该技术扩展到实际量子计算领域，仍需进一步的研究和探索。不过，这些发现无疑为减少构建容错量子系统所需的硬件资源提供了一条潜在且可行的途径。

（徽声在线 李明轩）