可靠量子计算时代是否真的到来？微软量子团队的最新突破解析 , , #microsoft

量子纠错难题的突破口：微软的4D几何编码方案

为什么量子纠错至关重要？

即使是最高质量的物理量子比特也需要纠错才能创建和纠缠逻辑量子比特，从而实现可靠的量子计算。这是因为量子比特非常容易出错，严重影响计算的可靠性。

微软量子团队提出了什么解决方案？

微软量子团队在arXiv上发表了两篇论文，介绍了他们研发的 4D 几何编码 方法，该方法声称：

• 仅需极少的物理量子比特就能一次性完成错误检测。
• 可以将量子系统错误率降低至原数值的 1/1000。
• 已经破解了量子计算机纠错背后的难题。

4D 几何编码的核心优势是什么？

4D 几何编码可以通过构建 4D 拓扑结构 来实现错误检测。其核心优势包括：

1. 减少物理量子比特需求： 构建逻辑量子比特所需的物理量子比特数量减少五分之四。
2. 高效的逻辑运算能力： 具备单次操作特性，可以快速实现错误校正。
3. 提高量子硬件的性能： 将物理错误率从 10⁻³（千分之一）降低到约 10⁻⁶（百万分之一）。

这种编码方案如何简化纠错？

该方案简化了纠错诊断步骤，从而实现低深度量子操作与运算。此外，它还减少了实现容错量子计算所需的物理量子比特数量，加快了迈向实用规模的进程。据称，该编码是微软量子计算平台可用的众多编码之一，配备了一套完整的高效操作，使得任何量子算法的编译都成为可能。

微软量子团队的未来目标是什么？

未来，当把这些编码整合到微软量子团队的全栈系统中，有望在短期内实现 50 个逻辑量子比特的创建和纠缠，同时也有潜力扩展至数千个逻辑量子比特。

如何理解4D编码技术？

为什么传统的量子纠错方法存在局限性？

传统的量子纠错设置需要向系统中添加额外的物理量子比特，这些量子比特会与通常承载量子信息的逻辑量子比特产生纠缠。虽然可以通过测量这些物理量子比特来检测错误，但现有的纠错技术要么难以扩展，要么消耗过高，要么两者兼而有之。

微软的4D编码技术有何创新之处？

微软量子团队采用的 4D 编码技术，其核心在于将量子处理表面的拓扑结构映射到 4D 晶格上，利用这种方法能够构建出具有自校正特性的量子存储器。通过对环面结构 4D 几何纠错编码 进行物理形态的螺旋扭曲，使得相同数量的编码能够使用更少的物理量子比特纠缠来覆盖相同的系统空间。

4D编码如何检测错误？

通过扭曲几何结构，4D 编码叠加层会创建一个更大的表征空间，该空间能反映所使用的实际量子比特的更多量子态。这样一来，就可以在不干扰系统内实际发生的量子过程的情况下，检测编码中的错误。

微软量子团队的其他技术突破

原子替换技术

该团队还验证了另一项新技术：在量子比特原子丢失时实现原子替换。在特定量子计算系统中，量子比特的制备需通过激光镊子俘获中性原子并将其固定在晶格位点。而在运算过程中，这些原子可能发生逃逸或位点丢失现象，而该团队首次实现了运算周期内的原子替换，通过原子束将新原子注入阵列，且全程不影响计算进程。

与Atom Computing的合作

微软量子团队已与美国量子初创公司 Atom Computing 联合探索应用场景。他们通过将其量子比特虚拟化系统应用于 Atom Computing 的中性原子，创建并纠缠了 24 个可靠的逻辑量子比特。Atom Computing 的中性原子量子比特具有高保真度、全互联架构和长相干时间三大核心优势，与微软量子计算平台能够形成技术互补，以便高效地构建逻辑量子比特体系。

量子计算的未来展望

量子计算的应用前景如何？

微软量子团队的成果正处于可靠量子计算的早期阶段。随着更多人采用协同设计方法来探索量子架构、算法和应用之间的相互作用，预计实际应用将开始逐步显现。量子计算最具突破性的应用场景，很可能出现在利用量子技术改进和加速其他技术的领域，比如高性能计算和人工智能。

微软的下一步计划是什么？

微软量子团队正在通过将量子硬件与量子计算平台加以深度耦合，持续推动量子优势能力的突破。同时，这一系列新技术是自下而上构建的，其容错方案不仅适用于已经得到测试的硬件平台和应用场景，也具备跨平台的扩展潜力。

我认为：量子计算的道路依然漫长，但微软的4D几何编码无疑是一盏明灯。它照亮了纠错的难题，让我们看到了通用容错量子计算机的希望。然而，技术突破只是第一步，真正的挑战在于如何将这些理论转化为实际应用，让量子计算真正服务于人类社会。