Google Willow 處理器實現魔法狀態培養技術，錯誤率降低四成，邏輯保真度達 99.99%

Google 近日宣佈，其 Willow 處理器在準備專門的量子狀態時，顯示出錯誤率降低了 40 倍，這一突破有助於解決實用量子計算中的主要瓶頸。這一技術被稱為「魔法狀態培育」，其邏輯保真度達到 99.99%，能夠生成進行複雜計算所需的高精度量子狀態。這些狀態對於建立強大的錯誤更正量子電腦至關重要。然而，生成這些魔法狀態長期以來一直是一個主要挑戰。這些狀態對於進行複雜的量子計算是必不可少的，但以足夠低的錯誤率生成它們需要巨大的計算資源。

有些估計顯示，量子電腦的容量中可能有多達 95% 用於生成這些狀態，實際計算的空間則相對有限。問題還在於，每個魔法狀態只能使用一次，這意味著量子電腦必須持續生成新的狀態以執行操作。 Google 最新的實驗展示了一種能夠減少這一資源負擔的方法。

魔法狀態培育技術

在 2024 年， Google 量子人工智能研究人員 Craig Gidney、Noah Shutty 和 Cody Jones 開發了魔法狀態培育技術，並改進了早期的理論方法。該方法類似於一種過濾器，研究人員將含有錯誤的量子狀態引入處理器的小區域，並進行一系列精心協調的測量以識別問題。未能通過檢查的嘗試會被丟棄，而通過的檢查則產生更為純淨的量子狀態。這些狀態隨後可以擴展成適合更複雜量子操作的大型形式。

雖然該方法在理論上顯示出前景，但在實際量子硬件上展示它需要幾項工程改進。在早期實驗中， Google 研究員 Emma Rosenfeld 遇到了意外的測量結果。經過幾個月的測試和模擬，團隊追蹤到問題源於由電氣設備漂移和實驗室溫度變化引起的噪聲，這種幹擾影響了團隊現有的測量方法的準確性。研究人員通過改善處理器的控制和開發一種新的基準測試技術來應對，該技術利用培育過程本身來評估結果。

這些改變幫助 Willow 處理器在錯誤率上實現了 40 倍的降低，與未經培育的量子狀態相比，該實驗還產生了邏輯 T 狀態，報告的保真度為 99.99%。

量子狀態的轉移

除了降低錯誤率外， Google 的研究人員還展示了純化的量子狀態可以在兩種不同的錯誤更正方法之間進行轉移。團隊將狀態從距離 3 的顏色編碼轉移到距離 5 的表面編碼。這是兩種組織量子資訊以檢測和修正錯誤的方法，距離指示代碼對某些錯誤的保護級別。這一過程被稱為「嫁接」，顯示出精心準備的狀態能夠在實際硬件上成功過渡到這兩種方法之間。這一結果非常重要，因為未來的量子電腦可能需要結合不同的錯誤更正技術，以可靠地執行計算，同時限制硬件需求。

然而，該演示並不意味著 Google 已經消除了魔法狀態瓶頸或建立了實用的容錯量子電腦。該公司承認，培育技術仍需在更大規模上進行證明，才能支持有用的量子應用。該研究發表在《科學》期刊上。

Google 如何解決量子計算瓶頸

Google 在量子計算領域的最新突破顯示，魔法狀態培育技術能顯著降低錯誤率，這對於量子電腦的實用性至關重要。量子計算的挑戰之一是生成高精度的量子狀態，而這種技術的成功實施可能會使量子電腦在解決複雜計算問題時更加高效。此外，能夠在不同錯誤更正技術之間轉移量子狀態，為未來的量子電腦提供了更大的靈活性和可靠性。儘管如此，Google 仍需進一步驗證這項技術在更大規模上的應用，才能真正實現容錯量子計算。