為保護新生的量子計算機中的敏感信息免受錯誤影響，研究人員們已經付出了相當艱苦的努力。加州大學戴維斯分校的數學家 Greg Kuperberg 表示，儘管尚無重大突破，但未來前景已經相當明朗。柏林自由大學的理論物理學家 Joschka Roffe 指出，谷歌研究人員已經證明了完全糾錯的“觸手可及”。
驗證量子糾錯的 Sycamore 芯片（圖自：Google）
20 多年來，物理學家和工程師們一直在努力開發在現實中可行的量子計算機。有朝一日，其有望破解許多難以想象的問題，甚至輕鬆攻破當前的互聯網信息加密方案。
理論上，傳統計算機的基礎機構，是只能呈現 0 或 1 狀態的“1-bit”電子開關。但在獨特的量子領域，量子計算機還能夠同時呈現這兩種狀態（比如 30% 的 0 和 70% 的 1）。
遺憾的是，量子比特的狀態維持，對環境也提出了相當苛刻的要求。即便是最輕微的“噪聲”，比如雜散電場或磁場，都可消除量子比特的這一奇妙狀態。
研究配圖 – 1：Sycamore 上的穩定器電路
以谷歌的量子比特為例，其由具有兩種不同能量狀態的超導金屬微小電路組成。其能夠在噪聲掩蓋之前，保持約 15 微秒的這一狀態。即便如此，這仍不足以讓它投入實際運用。
長期以來，量子信息的糾錯，一直是一項艱巨的挑戰。傳統計算機能夠通過簡單的比特位冗餘副本，來驗證數據狀態和糾錯。
然而由於量子力學的一項限制，我們無法將一個位置狀態的量子比特，複製到另一個位置。
研究配圖 – 2：錯誤檢測與分析
作為應對，科學家們已經設計出了在多個量子比特位中的一個‘邏輯’量子比特的信息傳播方法。
例如，某個呈現 30% 的 0 和 70% 的 1 狀態的量子比特，可被擴展到三個量子比特。
在這組中更大、但等效的量子態，將有助於研究人員來消除錯誤。
研究配圖 – 3：重複代碼中的邏輯錯誤
當然，我們仍無法通過直接測量來獲取數據，因為測量操作本身也會讓量子態坍縮。
為此，研究人員將數據量子比特與所謂的輔助量子比特交織，並在每個輔助量子比特與其鄰居之間建立被稱作糾纏的量子鏈接。
通過重複測量一個輔助量子比特，研究人員可以判定相鄰數據量子比特是否相對於彼此翻轉、而無需對其展開直接的測量。原則上，物理學家可將這些量子比特推回到原始狀態。
研究配圖 – 4：錯誤預算重複與表層編碼
谷歌研究人員在 7 月 14 日發表於《自然》雜誌上的報告中指出，他們已經用上了多達 11 個數據量子比特的鏈，從而能夠在一段時間內維持一個邏輯量子比特的狀態。
隨着物理量子比特位數的增加，其維持時間也可呈指數級增長。通過將單個量子比特的狀態傳播到多達 11 個數據量子比特上，他們已將 50 微秒后出錯的幾率，從 40% 降低至 0.2% 。
如果能夠將這套方案拓展運用到大約 1000 個物理量子比特，即可實現近乎無限期的維持。
感興趣的朋友，可以翻閱《Nature》上的全文。原標題為《Exponential suppression of bit or phase errors with cyclic error correction》。