科學(xué)家造出原子級量子芯片，錯誤率低到前所未有

最近，一項來自澳大利亞的研究，把量子計算的重心，重新拉回到了“精度”本身。

研究人員宣布，他們構(gòu)建了一個可擴展的原子級量子處理器，并在實驗中實現(xiàn)了高達(dá) 99.99% 的保真度。這意味著，在量子計算中最讓人頭疼的錯誤問題，被壓到了一個前所未有的低水平。

這套系統(tǒng)來自一家總部位于悉尼的硅量子計算初創(chuàng)公司。他們沒有選擇主流的超導(dǎo)電路、光子或囚禁離子路線，而是走了一條非常“材料科學(xué)”的路徑——直接在硅晶片中，精確放置單個磷原子。

這種設(shè)計被稱為“14/15 架構(gòu)”，名字本身就來自元素周期表：硅是第 14 號元素，磷是第 15 號元素。研究人員用磷原子的核自旋作為量子比特，把它們嵌入到幾乎完美純凈的硅晶體中。

在最新實驗里，這套系統(tǒng)由多個獨立的量子比特簇組成，每個簇包含核自旋量子比特和原子量子比特。正是在這種架構(gòu)下，他們在多個獨立集群中同時測得了 99.5% 到 99.99% 的計算保真度。

這在量子計算領(lǐng)域意義非常明確：這已經(jīng)進入“容錯量子計算”的門檻區(qū)間。

保真度，簡單來說，就是量子計算“做對了多少”。量子比特極其脆弱，溫度、噪聲、電磁干擾，都會讓它們的狀態(tài)坍縮，計算結(jié)果隨之失真。因此，大多數(shù)量子系統(tǒng)都不得不拿出大量量子比特，專門用于糾錯，而不是計算本身。

而這正是這項工作的關(guān)鍵優(yōu)勢。

由于原子級制造精度極高，這種硅基量子比特的狀態(tài)非常穩(wěn)定，比特翻轉(zhuǎn)錯誤極少出現(xiàn)。這意味著，在糾錯時，它們只需要重點處理相位誤差，而不必同時應(yīng)付多種錯誤類型。

結(jié)果就是，同樣的糾錯效果，所需的量子比特數(shù)量更少，系統(tǒng)規(guī)模更小，功耗也更低。

研究人員用一個量子計算領(lǐng)域的“標(biāo)尺”來驗證這一點——格羅弗算法。這個算法常被用來測試量子計算系統(tǒng)是否真的具備超越經(jīng)典計算的能力，同時也是評估整體誤差水平的重要工具。

在此前的實驗中，這套架構(gòu)已經(jīng)在不進行任何量子糾錯的情況下，把格羅弗算法的保真度推到了接近理論極限的水平。而這一次，更高精度的硬件，讓他們進一步刷新了紀(jì)錄。

從表面看，這個系統(tǒng)的量子比特數(shù)量并不多，遠(yuǎn)不及那些動輒上百量子比特的方案。但研究人員強調(diào)，真正重要的不是當(dāng)前規(guī)模，而是可擴展性。

這種“原子級放置”的方法，在理論上可以通過模塊化方式擴展成擁有數(shù)百萬量子比特的系統(tǒng)，而且隨著規(guī)模增加，糾錯負(fù)擔(dān)的增長速度會明顯慢于其他路線。

當(dāng)然，這并不意味著量子計算的難題已經(jīng)解決。隨著系統(tǒng)不斷放大，糾錯仍然不可避免，工程挑戰(zhàn)也依然巨大。但至少，這項工作清楚地證明了一件事：量子計算不一定要靠堆數(shù)量取勝，把錯誤壓到足夠低，本身就是一條通往實用化的現(xiàn)實路徑。

在量子計算這場長跑中，有人拼規(guī)模，有人拼速度，而這一次，有人選擇把每一步走得盡量不出錯。