今天凌晨4點(diǎn)30，微軟首席執(zhí)行官SatyaNadella分享了，微軟在量子計(jì)算的重大技術(shù)突破成果4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼。

與2D相比，4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼在編碼效率、糾錯(cuò)能力、邏輯操作都非常出色，并且每個(gè)邏輯量子比特只需要極少的物理量子比特，可以一次性檢查錯(cuò)誤，并將錯(cuò)誤率降低1000倍。

同時(shí)，這項(xiàng)全新的量子計(jì)算成果將應(yīng)用在微軟的Azure Quantum量子計(jì)算平臺(tái)中，加速科研、醫(yī)療的研發(fā)效率。

網(wǎng)友表示，這標(biāo)志著一項(xiàng)重大進(jìn)展，量子糾錯(cuò)長(zhǎng)期以來(lái)一直是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可擴(kuò)展量子計(jì)算的主要瓶頸。

俺什么都不懂，但我相信你。

祝賀微軟和Satya Nadella！這一成果展現(xiàn)了非凡的效率，彰顯了在推進(jìn)實(shí)用規(guī)模量子技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼技術(shù)亮點(diǎn)

目前，多數(shù)量子計(jì)算機(jī)所使用的量子比特容易出錯(cuò)，無(wú)法獨(dú)立完成可靠計(jì)算。要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜問(wèn)題的潛力，需滿足兩個(gè)前提條件：一是使用高保真度的物理量子比特，二是應(yīng)用能顯著降低錯(cuò)誤率以創(chuàng)建可靠邏輯量子比特的糾錯(cuò)碼。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，物理量子比特像建房子的磚塊，高保真度的是優(yōu)質(zhì)磚，才能搭穩(wěn)房子。糾錯(cuò)碼是施工圖紙和質(zhì)檢員，既指導(dǎo)磚塊正確堆砌，又隨時(shí)檢查修正歪斜、裂縫等問(wèn)題，才能建造安全、高質(zhì)量的房子。這樣大家應(yīng)該知道這個(gè)糾錯(cuò)能力的重要性了吧。

微軟通過(guò)與多家硬件合作伙伴的協(xié)作，在量子糾錯(cuò)方面展現(xiàn)出先進(jìn)能力，其量子比特虛擬化系統(tǒng)作為微軟量子計(jì)算平臺(tái)的核心組件，可利用高質(zhì)量物理量子比特創(chuàng)建并糾纏出可靠的邏輯量子比特。

此前，微軟團(tuán)隊(duì)將該系統(tǒng)應(yīng)用于Atom Computing的中性原子，成功創(chuàng)建并糾纏了24個(gè)可靠的邏輯量子比特，還在計(jì)算過(guò)程中展示了檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤以及處理量子比特丟失的能力；另一團(tuán)隊(duì)也創(chuàng)建了28個(gè)邏輯量子比特，能在執(zhí)行可靠計(jì)算的同時(shí)檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。

由于如今的量子比特本質(zhì)上存在噪聲，所以通過(guò)量子糾錯(cuò)碼將量子信息編碼到更大的量子比特集合中，可使量子機(jī)器具備抗錯(cuò)能力。

在此基礎(chǔ)之上，微軟開發(fā)的新型4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼適用于中性原子、離子阱和光子學(xué)等具有全連接特性的量子比特，能將物理量子比特的錯(cuò)誤率降低多個(gè)數(shù)量級(jí)，以滿足量子電路可靠運(yùn)行的要求。

4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼具有諸多優(yōu)勢(shì)：在構(gòu)建每個(gè)邏輯量子比特時(shí)所需的物理量子比特?cái)?shù)量極少，通過(guò)在4D空間中對(duì)碼進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使構(gòu)建邏輯量子比特所需的物理量子比特?cái)?shù)量減少了5倍；

具備高效的邏輯操作，性能出色且具有單次測(cè)量特性，可快速糾正錯(cuò)誤；能顯著提升量子硬件性能，若將物理錯(cuò)誤率從10?3降至約10??，錯(cuò)誤率可降低1000倍。

并且該系列碼配備了一套完整的高效操作，可實(shí)現(xiàn)任何量子算法的編譯，將其融入微軟的全棧技術(shù)中，有望在短期內(nèi)創(chuàng)建和糾纏50個(gè)邏輯量子比特，未來(lái)更有擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)邏輯量子比特的潛力。

4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼架構(gòu)簡(jiǎn)單介紹

4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼的核心思想是利用4D空間的獨(dú)特幾何結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)量子糾錯(cuò)碼的性能。在傳統(tǒng)的二維拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼中，量子比特被排列在一個(gè)二維平面上，而4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼則將量子比特?cái)U(kuò)展到一個(gè)4D的超立方體結(jié)構(gòu)中。這種高維的幾何布局不僅為量子比特提供了更多的連接方式，還通過(guò)拓?fù)浔Ｗo(hù)機(jī)制顯著提高了量子信息的抗噪聲能力。

在4D空間中，量子比特被放置在超立方體的各個(gè)面上，而穩(wěn)定化子則定義在超立方體的邊和立方體上。這種布局方式使得量子糾錯(cuò)碼能夠利用4D空間的冗余性來(lái)檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。

4D超立方體的每個(gè)面都對(duì)應(yīng)一個(gè)量子比特，而邊和立方體則分別用于定義X型和Z型穩(wěn)定化子。這種幾何結(jié)構(gòu)不僅為量子比特提供了更多的保護(hù)層，還使得錯(cuò)誤能夠在單次測(cè)量中被檢測(cè)和糾正，從而實(shí)現(xiàn)了單次測(cè)量糾錯(cuò)的特性。

單次測(cè)量糾錯(cuò)是4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼的一項(xiàng)重要特性，它允許在單次測(cè)量過(guò)程中完成錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正。這一特性對(duì)于減少量子計(jì)算中的錯(cuò)誤累積和提高計(jì)算效率具有重要意義。

在傳統(tǒng)的量子糾錯(cuò)碼中，錯(cuò)誤檢測(cè)通常需要多次測(cè)量，這不僅增加了計(jì)算的復(fù)雜性，還可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的進(jìn)一步累積。

而4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼通過(guò)其獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)和拓?fù)浔Ｗo(hù)機(jī)制，能夠在單次測(cè)量中完成錯(cuò)誤的檢測(cè)和糾正，大大提高了糾錯(cuò)效率。

單次測(cè)量糾錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)基于4D超立方體的邊界冗余。在4D超立方體中，每個(gè)頂點(diǎn)和超立方體都提供了額外的冗余信息，這些信息可以用來(lái)檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。

通過(guò)測(cè)量超立方體的邊和立方體上的穩(wěn)定化子，可以快速確定是否存在錯(cuò)誤以及錯(cuò)誤的位置。一旦檢測(cè)到錯(cuò)誤，糾錯(cuò)算法可以立即采取措施糾正錯(cuò)誤，從而避免了多次測(cè)量帶來(lái)的復(fù)雜性和潛在的錯(cuò)誤累積。

4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼的幾何結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定化子的設(shè)計(jì)是其實(shí)現(xiàn)高效糾錯(cuò)和邏輯操作的關(guān)鍵。在4D超立方體中，量子比特被放置在各個(gè)面上，而穩(wěn)定化子則定義在邊和立方體上。這種布局方式不僅為量子比特提供了更多的保護(hù)層，還使得錯(cuò)誤能夠在單次測(cè)量中被檢測(cè)和糾正。

穩(wěn)定化子的設(shè)計(jì)是4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼的核心。穩(wěn)定化子是一組與量子糾錯(cuò)碼的碼空間對(duì)易的算符，它們的測(cè)量結(jié)果可以用來(lái)檢測(cè)錯(cuò)誤。

在4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼中，穩(wěn)定化子被設(shè)計(jì)為權(quán)重為6的算符，這意味著每個(gè)穩(wěn)定化子涉及6個(gè)量子比特。這種高權(quán)重的穩(wěn)定化子設(shè)計(jì)使得量子糾錯(cuò)碼能夠檢測(cè)和糾正更多的錯(cuò)誤類型，從而提高了糾錯(cuò)能力。

此外，4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼還通過(guò)幾何結(jié)構(gòu)的變化來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化性能。例如，通過(guò)旋轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)的4D晶格，可以減少所需的物理量子比特?cái)?shù)量，同時(shí)保持碼距不變。這種幾何增強(qiáng)技術(shù)不僅提高了編碼效率，還為實(shí)現(xiàn)單次測(cè)量糾錯(cuò)提供了可能。

4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼比2D好在哪

從編碼效率來(lái)看，2D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼通常需要大量的物理量子比特來(lái)編碼少量的邏輯量子比特。例如，對(duì)于一個(gè)碼距為d的2D表面碼，需要d2個(gè)物理量子比特來(lái)編碼2個(gè)邏輯量子比特。這意味著隨著碼距的增加，所需的物理量子比特?cái)?shù)量呈平方級(jí)增長(zhǎng)，極大地限制了量子計(jì)算的可擴(kuò)展性。

相比之下，4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼通過(guò)利用4D空間的幾何特性，能夠在相同的邏輯比特?cái)?shù)量下顯著減少所需的物理量子比特?cái)?shù)量。

以4D環(huán)面碼為例，其編碼率為6d2個(gè)物理量子比特編碼6個(gè)邏輯量子比特，且在某些優(yōu)化的晶格結(jié)構(gòu)下，還可以進(jìn)一步減少物理量子比特的需求。這種高效的編碼方式使得4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼在資源利用上更具優(yōu)勢(shì)，尤其是在物理量子比特?cái)?shù)量有限的近期內(nèi)量子硬件中，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的邏輯量子比特，從而提升量子計(jì)算的能力。

在糾錯(cuò)能力方面，2D拓?fù)浯a雖然具有較高的容錯(cuò)閾值，但它們通常需要多次測(cè)量來(lái)檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤，這不僅增加了糾錯(cuò)的復(fù)雜性，還可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的進(jìn)一步累積。

而4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼由于其獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)，具備單次測(cè)量糾錯(cuò)的特性。這意味著在單次測(cè)量過(guò)程中，就可以完成錯(cuò)誤的檢測(cè)和糾正，大大提高了糾錯(cuò)的效率和可靠性。4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼在面對(duì)復(fù)雜的錯(cuò)誤模式時(shí)，也展現(xiàn)出了更強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。

此外，從資源需求的角度來(lái)看，4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼在實(shí)現(xiàn)相同糾錯(cuò)能力和邏輯操作功能的情況下，所需的物理量子比特?cái)?shù)量顯著減少。這對(duì)于當(dāng)前和近期的量子硬件來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槟壳暗牧孔佑布脚_(tái)在物理量子比特的數(shù)量和質(zhì)量上仍然存在限制。

通過(guò)減少物理量子比特的需求，4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼不僅能夠降低量子計(jì)算系統(tǒng)的硬件成本，還能夠提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。此外，4D拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼在實(shí)現(xiàn)邏輯操作時(shí)所需的輔助資源也相對(duì)較少，這進(jìn)一步降低了量子計(jì)算的資源開銷，使得量子計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中更具可行性。