我們在量子糾錯上的進展

2023/02/23

三年前，我們的量子電腦首次執行一項運算任務，展現出超越最快的超級電腦的性能，這是我們邁向打造大規模量子電腦藍圖上的一大重要里程碑，也是我們眾所期盼的量子電腦「問世」時刻。在漫長的科學進步過程中，這只是個開始。

現在，我們又向前邁進了一大步：有史以來，我們的量子 AI 研究人員首次透過實驗性證明，可以透過增加量子位元（qubits）來降低錯誤率。在量子運算中，量子位元是量子資訊的基本單位，可以呈現超越 0 和 1 且更豐富的狀態。我們的突破在於大幅改變操作量子電腦的方式，不再逐一處理量子處理器上的物理量子位元，而是將一組量子位元視為一個邏輯量子位元。因此，我們以 49 個物理量子位元製作的邏輯量子位元表現能夠勝過我們用 17 個量子位元製作的邏輯量子位元，科學期刊《自然》（Nature）在今天發布了我們的研究。

為什麼這是個重要的里程碑？因為量子電腦是透過我們稱為量子演算法（一種精密的計算方式）來操作量子位元，它的困難點在於量子位元非常敏感，即使是雜散光也會導致運算錯誤，而且隨著量子電腦的持續發展，這項問題變得越來越難處理，並可能產生重大影響。因為我們認為能運行有用應用程式的最佳量子演算法所要求的量子位元錯誤率，必須遠低於現在的數據。為了消弭這個差距，我們需要量子糾錯（quantum error correction）。

量子糾錯可以透過跨多個物理量子位元對資訊編碼，形成「邏輯量子位元」來保護資訊，也被認為是打造錯誤率夠低並能實際用於運算的大規模量子電腦的唯一方式。相較於在單一量子位元上進行運算，我們的做法是在邏輯量子位元上進行。透過將量子處理器上的大量物理量子位元編為一個邏輯量子位元，我們希望能夠降低錯誤率，以實現有用的量子演算法。

這是第一次有人成功達成縮放邏輯量子位元的實驗性里程碑。我們將持續朝著接下來的目標邁進，因為量子電腦有潛力能為數百萬人的生活帶來實際改善與助益。我們相信有一天，可以透過量子電腦找出可用來製造新藥物的分子、使用更少的能源來生產肥料、以更環保的方式來設計電池或核融合反應技術，甚至是進行物理研究，帶來那些我們現在還無法想像的進步與突破。正因如此，我們致力於打造量子硬體、工具和應用程式，並提供給客戶與合作夥伴，包含透過 Google Cloud，讓他們能夠以令人期待的全新方式來運用量子技術的強大能力。

為了發揮量子技術的最大潛力，我們必須達成更多技術里程碑，像是在數千個邏輯量子位元維持低錯誤率。前方還有很長的一段路要走，技術上的幾個部分將需要調整改進，像是低溫控制、電子控制，以及量子位元的設計和材料選擇等。隨著這些發展，大規模量子電腦的願景將更加清晰。開發量子處理器同時提供了AI 輔助運算絕佳的測試機會，我們也會嘗試透過機器學習來改善流程。