谷歌科學家創造了一種新型量子處理器，它在五分鐘內解決了世界上最好的超級電腦需要 10 億年才能解決的問題。這項突破將使量子電腦變得越大，就越不容易出錯，從而實現克服數十年障礙的里程碑。
本質上是“嘈雜的”，這意味著，如果沒有糾錯技術，千分之一的人中就有一個——量子電腦的基本建構模組——失敗了。
這也意味著相干時間（量子位元可以保持疊加狀態的時間，以便它們可以並行處理計算）仍然很短。相比之下，每個傳統計算機中十億分之一的比特發生故障。
這種高錯誤率是擴大這些機器的主要障礙之一，因此它們足以比最快的超級電腦表現得更好。這就是為什麼研究集中在建造具有更好、更不易出錯（而不僅僅是更多）量子位元的量子電腦。
谷歌稱其新被稱為「Willow」的計畫是世界上第一個取得「低於閾值」結果的計畫——電腦科學家概述了這個里程碑彼得·肖爾在一個1995年論文。該團隊在 12 月 9 日發表在期刊上的一項研究中概述了該技術自然。
解決幾十年前提出的問題
這項突破——實現「低於閾值」的里程碑——意味著量子電腦中的錯誤將隨著你添加更多的物理量而呈指數級減少。。它描繪了未來擴大量子機器規模的道路。
該技術依賴邏輯量子位元。這是使用晶格形式的物理量子位元集合編碼的量子位元。單一邏輯量子位元中的所有物理量子位元共享相同的數據，這意味著如果任何量子位元失敗，計算將繼續，因為仍然可以在邏輯量子位元中找到資訊。
谷歌科學家透過多次轉變建構了足夠可靠的量子位，以減少指數誤差。他們改進了校準協議，改進了識別錯誤的機器學習技術，並改進了設備製造方法。最重要的是，他們提高了相干時間，同時保留了調整物理量子位元以獲得最佳性能的能力。
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“我們在量子糾錯方面所做的事情是一個非常重要的里程碑——對於科學界和量子計算的未來來說——這表明我們可以製造一個在量子糾錯以下運行的系統臨界點，”朱利安凱利谷歌量子人工智慧量子硬體總監告訴《Live Science》。
這項具有挑戰性的任務需要從系統中消除比引入的錯誤更多的錯誤。凱利解釋說，低於這個閾值，科學家可以將量子電腦規模越來越大，錯誤將繼續下降。
凱利說：“自 20 世紀 90 年代中期提出量子糾錯的想法以來，這一直是 30 年來的一項突出挑戰。”
量子運算的令人難以置信的結果
谷歌研究人員根據隨機電路取樣（RCS）基準測試了 Willow，該基準現在是評估量子運算晶片的標準指標。在這些測試中，Willow 在不到五分鐘的時間內完成了計算10 七億年。這比宇宙的年齡長了近四兆倍。
第一版 Willow QPU 還可以實現近 100 微秒的相干時間，這比Google之前的 Sycamore 晶片的表現好五倍。
谷歌先宣布，當時科學家使用該晶片解決了傳統超級電腦需要 10,000 年才能計算的問題。 7月，Quantinuum打造的新型量子計算機。
然後，十月份，Google再次宣布它已經當使用 Sycamore 處理計算時，這意味著當今最好的 QPU 可以在實際應用中首次超越最快的超級電腦。
「現在的相干時間比以前高得多，我們立即將所有物理操作錯誤率基本上降低了大約兩倍，」凱利說。
「因此，所有底層量子位元在它們所做的每件事上都變得更好了大約兩倍。如果你看看這個新處理器和Sycamore 之間的邏輯錯誤率，你會發現大約有20 倍的差異——這來自於擴展，但也低於閾值。
超越“低於閾值”
谷歌科學家現在的目標是證明對於當今的量子晶片，而不是依賴基準測試。
凱利告訴《生活科學》雜誌，過去，該團隊對量子系統進行了模擬，帶來了科學發現和突破。
一個例子包括發現與假設的物理定律的偏差。但這些結果仍然是最強大的經典電腦所能達到的。
接下來，該團隊希望創建一個“非常非常好的邏輯量子位元”，錯誤率為百萬分之一。他們說，為了建造這個，他們需要將 1,457 個物理量子位元拼接在一起。
這個領域具有挑戰性，因為僅使用實體硬體不可能實現這一目標，您需要在頂層使用糾錯技術。然後，科學家希望將邏輯量子位元連接在一起，以便在基準測試和現實場景中比超級電腦表現得更好。
