微软与量子计算领域的领军企业Quantinuum携手，宣布在量子纠错技术上取得了新的突破，这一进展无疑标志着量子计算行业正式迈向了新的阶段。

微软公司量子发展部副总裁Krysta Svore表示，目前市面上的量子计算机大多仍处于量子计算的初级阶段，即所谓的“噪声中等规模量子”或NISQ阶段。“而这次公告的重大意义在于，我们迈出了通往弹性量子计算这一第二阶段的关键一步。”她如此评价。

Svore进一步指出，这意味着商业上可行的量子计算——至少需要1000个可靠、逻辑上的量子比特——的实现时间将大幅缩短，从数十年缩短至数年。而对于科学上有用的量子计算——只需100个量子比特——则更进一步地接近了现实。

硬件与软件量子解决方案

在实现可用的量子计算过程中，两大挑战尤为突出：一是单个计算机所能拥有的量子比特数量，二是这些量子比特的可靠性。这与传统计算机制造商总是试图在单个芯片上集成更多门电路，并确保其稳定工作的挑战颇为相似。

解决这两个问题——需要更多的量子比特和需要更可靠的量子比特——实际上是相辅相成的。目前，大多数从事量子计算机研发的公司都通过利用多个物理量子比特进行相同的计算来解决可靠性问题。实际上，他们可以将两个甚至1000个物理量子比特转化为一个逻辑量子比特。这并不是笔误，而是量子比特如此容易出错，以至于可能需要1000个甚至更多的物理量子比特才能拥有一个可靠的逻辑量子比特。由于每个额外的量子比特都难以构建，这种高错误率严重阻碍了研究进展。

量子计算公司正在从物理层面和软件层面着手解决这一问题。在硬件方面，他们通过减少温度波动和振动，或者从一开始就设计更稳定的量子比特，来预防错误的发生。

另一种基于硬件的方法是构建物理错误纠正机制。今年早些时候，已有三家供应商在此方面取得了突破。例如，他们不再使用备份量子比特，而是采用备份光子——具体来说，是在空心镜面球体内部或电路内部来回反弹的微波范围的光子，这些光子在量子层面上都与它们为之提供备份的量子比特相连。

微软的合作伙伴Quantinuum表示，其物理错误率低于其他计算机，而且拥有已知的最小容错电路。去年9月，该公司宣布了在具有三个逻辑量子比特的容错系统上执行数学运算的突破。

而在今年3月5日的另一份公告中，Quantinuum进一步宣布解决了布线问题。在量子计算机中，每个量子比特都需要大量的控制信号，这使得向系统添加额外的量子比特变得越来越困难。Quantinuum通过将布线减少到每个量子比特一个数字输入，加上固定数量的模拟信号，终于实现了系统的可扩展性。

Svore表示，微软的突破得益于这种硬件优势。除了新的错误纠正算法外，可靠性新高的实现还归功于“硬件和软件实现之间的协作”，以及“使用具有高保真度和连接性的物理量子比特”。

通过合作，他们成功将创建一个逻辑量子比特所需的物理量子比特总数减少了高达800倍。他们将自己的软件错误纠正方法命名为“碳代码”。

他们并非首家尝试为量子计算机进行基于软件进行错误纠正的公司。包括IBM和Alice & Bob在内的几家公司都采用了低密度奇偶校验码，这种代码自上世纪90年代起就已存在，主要用于帮助改善通信问题。

然而，Svore强调，碳代码与众不同。“我们不认为碳代码是一种低密度奇偶校验码，”她解释说。

从技术层面来看，碳代码实际上是一种Calderbank-Shor-Steane类型的稳定器代码，这是一种量子错误纠正代码。“它能在12个物理量子比特中编码两个逻辑量子比特，”她进一步解释。

此外，Omdia的首席量子分析师Sam Lucero也指出，这次公告展示了完整的错误纠正周期，而不仅仅是周期的一部分，这与之前的实验情况有所不同。“容错量子计算机不仅仅是一种理论上的可能性，而且有很大的机会在现实中实现，”他评价道。

正确看待量子技术的进步

然而，从量子计算进步的角度来看，一些专家对此次突破持保留态度。他们认为，这一突破并没有微软和Quantinuum所描述的那么大。“微软本身表示，它需要至少提高三个数量级的保真度，”Omdia的Lucero指出。

他还提到，该实验仅展示了克利福德门的功能。克利福德门仅支持某些类型的计算，这意味着微软所展示的逻辑量子比特还不足以构成一台完整的通用计算机。“非克利福德门功能必须在某个时候添加。”他补充说。

他进一步指出，目前所达到的四个逻辑量子比特距离科学价值所需的100个还有很长的路要走。

不过，从积极的一面来看，当前的加密方法仍然是安全的。“似乎需要大约2000个逻辑量子比特才能充分运行Shor算法以破解AES 256位加密，” Lucero解释说。

全球量子情报首席分析师David Shaw指出，微软在发布其成果时可能有所筛选，以制造更引人瞩目的效果。“他们允许自己忽略那些不成功的实验，”他评论道，“因此，要发现真正的错误改进，就必须深入审视。尽管这一进展令人印象深刻，但仍需审慎看待。”

他进一步表示，量子计算领域尚未迎来颠覆性的突破时刻。“我们目前只是看到了火箭发动机的点火，这更像是一次静态燃烧测试，而非真正将火箭送入轨道。”

目前尚不清楚微软的方法如何以可扩展的方式应用于错误抑制，或如何适用于通用的量子门操作。

“确实，这是一个值得铭记的里程碑，” Shaw补充说，“但争论的焦点在于，我们距离构建出大规模容错量子计算系统还有多远。这次成果并没有真正改变这一争论。四逻辑量子比特的机器或许会引起科学上的兴趣，甚至在某些特定应用上有所作为，但它们不太可能成为通用且广泛应用的工具。”

尽管其他公司已构建出拥有更多量子比特的量子计算机，但量子计算目前仍处于初级阶段，构建物理量子比特的方法多种多样，且各有特色。

谢布鲁克大学教授Baptiste Royer认为，微软的方法在很大程度上依赖于Quantinuum的量子计算硬件，因此其他公司可能无法立即采用这种技术。“不过，他们的理论可能会为其他公司带来启发，”他补充说。

据Royer介绍，最新的公告其实是一系列小改进的累积结果，除了纠错码之外，还包括硬件、校准、制造、精度以及新的测量协议等方面的改进。

因此，对于期待量子计算实现实用化的企业来说，这一成果并没有带来显著且立即可见的好处，尤其是在逻辑量子比特数量相对较少的情况下。

Royer总结道：“对于专注于错误纠正的研究人员来说，这无疑为他们提供了一个宝贵的实验平台。这对他们而言无疑是一个激动人心的时刻。然而，对于普通公众来说，我们可能还看不到任何立即可见的实际影响。不过，这一进展确实让量子计算离我们更近了一步，也缩短了我们通往实用阶段的时间。”