Google Willow 芯片验证魔态培育技术：次品率降至 1/40，突破量子纠错关键瓶颈

Google 今天在《科学》期刊发表论文，在自家量子芯片 Willow 上验证了一种制造“魔态”的新办法，做出来的魔态，坏的比例降到原来的 1/40 左右。魔态是什么、为什么重要，得先从量子计算机的一个大毛病说起。

量子计算机是一种新型计算机，理论上，在模拟药物分子、破解密码这类题目上，能比普通电脑快得多。它最小的计算单元叫量子比特，相当于普通电脑里存 0 和 1 的那个单元，但极其娇气，一点热量、一点干扰就会出错。所以到今天，还没有一台量子计算机能真正干正事。

为了不出错，科学家给量子比特设计了一套保护办法，叫“纠错”，可以理解为给数据穿上一层防护服。穿着防护服，大部分操作照样能做。麻烦的是，有一种关键操作，穿着防护服没法直接做。偏偏只靠剩下那些操作，量子计算机能算的东西，普通电脑也都能算，等于白造了。

魔态就是为这个关键操作准备的。科学家想了个绕道的办法：事先单独把一些量子比特调成一种特殊的状态，这种状态就叫“魔态”。计算中每需要做一次那个关键操作，就把一份魔态“喂”进去，效果就等于做了这个操作。喂进去就用掉了，下次还得再备一份。

所以可以把魔态想成一把一次性钥匙：量子计算机每开一次那扇关键的门，就要用掉一把。之所以叫“魔态”，是因为量子计算机比普通电脑强的那份“魔力”，就靠它来实现。

问题出在造钥匙上。魔态本身也是量子比特，一样娇气，很容易造坏，一把坏钥匙用进去，整道题就算错了。以前的办法是先造一大堆粗糙的魔态，再一遍遍提纯，非常费资源。有估算说，一台量子计算机最多可能要拿出 95% 的能力专门造魔态，真正用来算题的只剩一小部分。科学家 20 多年前就预见到这个瓶颈，一直在想办法压低成本。

2024 年，Google 的研究员提出了一个新办法，叫“培育”：在芯片上划出一小块地方，放进一份粗糙的魔态，然后一步步检查，只要哪一步发现问题，马上扔掉重来，能一路通过所有检查的，就是合格的魔态。有点像流水线上每道工序都站着质检员，次品当场就扔。

这次是第一次在真实芯片上把这个办法做成。不用培育时，大约每 1000 份魔态里有 4 份是坏的；用了培育之后，大约 1 万份里才有 1 份坏的。代价是扔掉的很多，100 次尝试里只有 8 次能留下来。

离真正能用还有多远？按《科学美国人》的报道，要用量子计算机模拟分子、帮忙设计新药，魔态坏的比例得低到百万分之一甚至一亿分之一；要破解现在网上广泛使用的 RSA 加密，得低到 100 亿份里最多坏 1 份。现在做到的是 1 万份坏 1 份。Google 自己也说，这个办法还要在更大的规模上验证，还有很多难题没解决。

原文：https://t.co/fuydV8pM9L 论文：https://t.co/S34VQwG4jD 预印本：https://t.co/iQHz3DFlsK 《科学美国人》报道：https://t.co/NYHGFjTmaC

↳ 引用 @sundarpichai (Sundar Pichai): Some magical progress towards "magic state" in quantum!

Our @GoogleQuantumAI team has demonstrated "magic state cultivation" on physical hardware for the first time. The result is a 40x error reduction on our Willow processor vs. previous methods, achieving a state-of-the-art 99.99% logical fidelity.

It's another step towards useful, error-corrected quantum computers to help solve the hardest problems. The result is published in Science today, watch the video below to see how it works