据美国趣味科学网站7月17日报道，科学家在世界上首次验证了量子计算中的一个神秘现象，从而可能为制造性能远超任何超级计算机的容错型量子计算机铺平道路。

这项被称为“魔态蒸馏”的操作过程最早是20年前提出的，但此后科学家一直无法将其用于处理逻辑量子比特。该过程一直被认为是制取名为“魔态”的高质量资源的关键，而这样的资源是实现量子计算机的全部潜力所必需的。

“魔态”是指预先制备好的量子态，它们随后会被最复杂的量子算法作为资源消耗掉。如果没有这些资源，量子计算机就无法利用量子力学的那些奇异定律实现对信息的并行处理。

与此同时，“魔态蒸馏”是一个过滤过程。通过该过程，最高质量的魔态将得到“净化”处理，从而能够被用来运行最复杂的量子算法。

迄今为止，这一过程只能在易出错的普通物理量子比特上（而不是在逻辑量子比特上）实现。逻辑量子比特是指拥有相同数据并被设定为可以发现和纠正频繁出现的量子计算操作误差的物理量子比特群。

由于迄今无法实现对逻辑量子比特的魔态蒸馏，使用逻辑量子比特的量子计算机在理论上一直无法超越经典计算机。

不过，现在美国量子时代计算公司(QuEra)的科研团队宣称他们首次实际验证了对逻辑量子比特的魔态蒸馏。他们在英国《自然》周刊7月14日发表的一篇论文中概要介绍了这一成果。

QuEra首席商务官尤瓦尔·博格在接受趣味科学网站采访时说：“如果没有这种魔态蒸馏过程，量子计算机将无法实现它们的潜力。这是必须跨越的里程碑。”博格本人并未参与这项研究。

挑战巨大

量子计算机以量子比特作为运算基础，并利用量子逻辑——即管理如何对量子信息进行处理的规则与运算集——运行算法和处理数据。但困难的是既要运行极其复杂的算法，又要保持极低的误差率。

麻烦在于物理量子比特天生具有“噪声”，这意味着计算操作常常受到温度变化和电磁辐射等因素的干扰。这就是为什么大量研究集中在量子纠错(QEC)方面的原因。

量子比特的误差率为千分之一，而常规比特的误差率为万亿分之一。减少误差的发生可防止干扰，使计算操作可以快速进行。这就是逻辑量子比特的用武之地。

论文首席作者、QuEra负责量子系统的副总裁塞尔吉奥·坎图在接受趣味科学网站采访时说：“量子计算机要想投入实用，它们需要能够运行相当长时间和复杂的计算。如果误差率过高，那么这种计算会很快变成一团糟，或导致毫无用处的数据。纠错操作的全部目的就是降低这种误差率，以便能够安全地进行百万次计算。”

逻辑量子比特是指拥有相同信息并且基于冗余原则的纠缠态物理量子比特群。由于信息无处不在，如果逻辑量子比特中的一个或多个物理量子比特失效，计算将不会受到影响。

但科学家们表示，逻辑量子比特存在极大的局限性，因为应用于它们的量子纠错码只能运行“克利福德门”操作——即基本的量子电路操作。这些操作对量子电路而言是基础性的，但它们过于基础，以至于可以在任何超级计算机上进行模拟。

只有利用高质量魔态，科学家才能运行“非克利福德门”操作并实现真正的并行处理。但是生成这样的魔态需要极高资源投入和昂贵成本，因此迄今为止一直无法在逻辑量子比特中实现。

迈向实用

本质上，仅仅依靠物理量子比特的魔态蒸馏将永远无法带来量子优势。为此，科学家需要直接实现对逻辑量子比特的魔态蒸馏。

一直以来，科学家生成物理量子比特魔态的结果都参差不齐——其中既有低质量、也有高质量的魔态，需要加以提纯，才能被用来驱动最强大的程序和量子算法。

在这项研究中，科学家利用“双子座”中性原子量子计算机，把五个有缺陷的魔态提纯为一个更洁净的魔态。他们分别在“距离3”和“距离5”两种逻辑量子比特上完成了这一操作，从而证明该操作可以随逻辑量子比特质量的提升而扩展。

博格解释说：“距离越大意味着逻辑量子比特的质量越高。例如，‘距离2’意味着你可以发现误差但无法纠正它。‘距离3’意味着你可以发现并纠正一个误差，‘距离5’意味着你最多可以发现并纠正两个误差，以此类推。因此，距离越大，量子比特的保真度越高——我们把这比喻为把原油提纯为航空燃油。”

作为蒸馏过程的结果，最终魔态的保真度超越了任何输入的魔态。科学家们称，这证明了容错魔态蒸馏操作在实践中的可行性。这意味着，现在有可能打造同时使用逻辑量子比特和高质量魔态运行非克利福德门操作的量子计算机。

博格说：“我们正在见证某种与数年前不同的趋势转变。最早的难题是究竟有没有可能制造出量子计算机，后来又变成了误差能否被发现和纠正。我们公司以及谷歌和其他人证明了量子计算机可以实现。现在问题变成了我们能否让这样的计算机真正有用。而要让(量子)计算机真正有用，除了扩大其规模，你还得让它们能够运行用经典计算机无法模拟的程序。”