近日，谷歌Quantum AI团队分别使用17和49个物理量子比特来构建码距为3和5的逻辑量子比特，演示了逻辑错误率随着纠错规模的增加而降低，将可扩展量子纠错往前推进重要一步。该成果于2月22日发表在《自然》杂志上。
任何计算过程都会遇到错误，因此量子纠错是构造具有实用价值的量子计算机必不可少的一步。经典计算机可以利用冗余编码将比特中的信息进行复制，以探测并纠正少数比特发生的错误。类似地，量子计算机也可以通过引入更多量子比特构建量子纠错码，来实现错误的探测和纠正。谷歌Quantum AI团队所使用的纠错码方案是表面码（surface code）。表面码由于容错阈值高、且与二维网格结构完美兼容，被认为是最有潜力和实用价值的量子纠错码方案之一。
在该项工作中，研究人员一方面进一步提升了量子处理器的性能，实现了保真度约为0.999、0.994和0.98的单比特门、两比特CZ门和读取，以及保真度为0.998的reset操作；另一方面，也开发了一系列模拟器和解码器，包括基于张量网络的近似极大似然解码器、可用于模拟态泄露和串扰的问题的Pauli模拟器，以及发展了一套逻辑错误率各成分影响分析的方法。在理论和实验的共同推进下，分别实现了3.028%±0.023%和2.914%±0.016%逻辑错误率的码距为3和5的表面码，证实了逻辑错误率可以随着纠错规模的增大而降低。
目前谷歌的研究成果只是实现实用化量子纠错的第一步。谷歌将构建实用化量子计算机的道路划分成了六个步骤：量子计算优越性是第一个，此次最新成果是第二个，它的终点（第六个步骤）预计是到2029年，由一百万个物理量子比特实现可纠错的量子计算。实际上，在实现量子计算优越性里程碑以后，量子计算的研究重点已经全面转向量子纠错。值得一提的是，在该论文参考文献中引述了中国“祖冲之号”量子计算原型机团队于2022年发表在《物理评论快报》上的工作“Realization of an error-correcting surface code with superconducting qubits”。该工作是“祖冲之号”超导量子计算原型机实现量子计算优越性里程碑后，向第二阶段迈进的探索。中国团队在“祖冲之二号”超导量子处理器上实验实现了一种由17个量子比特组成的码距为3的纠错表面码，首次实现表面码的多轮重复纠错。而谷歌本次的工作更进一步把纠错码规模扩展到了码距为5，并实现了随着纠错规模增加，逻辑错误率的降低。
图 谷歌两种纠错码结构，其中黄色为数据比特，蓝色为辅助比特，红框内的结构为17比特纠错码，所有带颜色的比特构成49比特纠错码。
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