Google 利用“魔法”减少量子计算错误

Google 研究人员展示了一种减少量子计算错误的新方法，使该公司距离构建能够解决实际问题的机器又近了一步。这项名为“魔态培育”的技术在该公司的 Willow 量子处理器上进行了测试，将制备错误降低至原来的约四十分之一，并生成了逻辑保真度达 99.99 % 的量子态。

“魔态”是量子计算中的一个既有概念，与超自然现象无关。这些量子态使量子计算机能够执行通用量子计算所需的某些操作，包括使用 T 门实现的操作。由于魔态会在计算过程中被消耗，且无法重复使用，因此大规模可靠地制备魔态是一项重大的工程挑战。

现有的魔态制备方法采用一种名为魔态蒸馏的过程，将多个不完美的量子态组合起来，生成数量更少但更可靠的量子态。Google 表示，这一过程可能消耗量子计算机的很大一部分资源，导致可用于实际计算的资源减少。

Google 的培育方法采用了不同的思路。该系统不处理大批不完美的量子态，而是逐个制备量子态，并利用专门设计的测量方式反复检查，以便在不破坏受检量子态的情况下检测错误。未通过检查的尝试会被舍弃，只保留最可靠的结果。

在 Google 的 Willow 处理器上，与未经培育而制备的量子态相比，这项技术将制备错误降低至原来的约四十分之一。由此生成的量子态实现了 99.99 % 的逻辑保真度，表明其错误率极低。然而，这种精度也付出了代价：在最严格的实验运行中，约 92 % 的尝试被舍弃，仅有 8 % 可供使用。

测量如此微小的错误也带来了挑战。团队发现，温度波动和电气设备噪声干扰了最初的测量结果，随后开发了一种名为回踢层析成像的技术。研究人员随后证明，经过培育的量子态可以转移到更大的量子纠错码中，不过转移过程引入了额外错误。

这项实验并未实现完整的容错量子计算机。相反，它解决了一个具体的工程瓶颈：如何在不投入过多硬件资源进行制备的情况下，生成实用计算所需的高质量量子态。