尽管量子计算技术近年来取得了令人瞩目的成就，但量子计算机的运行稳定性仍然面临严峻挑战，其内部量子比特极易受到环境干扰而出现错误，导致目前尚无法广泛应用于实际场景。为此，包括谷歌、IBM在内的多家顶尖科技企业纷纷投入巨资研发量子纠错技术，致力于构建一个稳定可靠的量子计算生态系统。
这些机构近期取得的一系列创新性成果，正在将量子纠错技术推向新的发展阶段。这些突破不仅彰显了量子纠错技术的巨大潜力，同时也为量子计算开辟了更广阔的应用空间。正如英国剑桥大学著名科学家杰米·维卡里在10月1日接受英国《新科学家》周刊网站采访时所言：目前，真正实用的量子计算设备已经不再遥远。
量子纠错技术的创新与发展
传统计算机采用二进制比特作为信息处理单元，每个比特只能表示0或1两种状态。而量子计算机则使用量子比特（qubit）作为基本信息处理单元，这些量子比特可以同时处于多种状态的叠加态。这种特性使得量子计算机在处理某些特定任务时能够超越传统计算机的性能极限。
在过去几年中，量子计算领域的公司普遍追求扩大量子比特规模，希望通过增加系统中的量子比特数量来提升量子计算设备的整体性能。然而，量子比特对环境噪声极为敏感，容易受到各种干扰而出现计算错误。
目前，全球最先进的量子计算机在执行量子运算时，最多只能保持几百次无误差的操作。要实现真正的量子计算优势——即量子设备能够完成传统设备无法完成的任务，这一无误差操作次数必须提升至百万次甚至数万亿次。有研究学者估计，要运行一个具有实际应用价值的量子算法，需要将量子比特的错误率控制在1×10-10以下。
《电子技术前沿》欧洲分部今年5月发表的一篇深度分析文章指出，现有量子计算机的错误率通常为10-2，即每进行一百次计算就会出现一次错误，而当前经典计算机的错误率已经降至10-18，这表明量子计算机在稳定性方面仍有巨大提升空间。
量子计算的高错误率特性，成为实现量子计算宏伟愿景的主要障碍，量子纠错技术的研发应运而生。
逻辑量子比特的纠错应用效果显著
多家科技巨头将研发重点转向逻辑量子比特。逻辑量子比特是由多个物理量子比特通过量子纠缠形成的复合系统，它通过将相同数据分散存储在多个物理量子比特中，从而有效减少量子计算机的运算错误。
今年8月，谷歌科学家团队发表论文称，在构建逻辑量子比特时，通过增加物理量子比特的数量，可以使错误率得到有效控制，避免错误像滚雪球般累积扩大，而是随着系统规模的扩大呈现下降趋势。
研究团队解释称，其核心原理是将信息分散存储在一组量子比特中，即使其中一个量子比特发生错误，其他物理量子比特仍然可以提供足够的信息，确保计算结果的准确性。这一成果为未来实现大规模容错量子计算奠定了坚实基础。
不过，英国帝国理工学院专家罗伯托·邦代桑指出，谷歌的研究虽然具有创新性，但尚未涉及真正的量子计算，这些量子比特更适合用于信息存储而非计算。
当地时间9月10日，微软公司宣布取得重要进展。据其官方网站报道，该公司与量子计算企业Quantinuum合作，成功将12个逻辑量子比特进行量子纠缠，并创造了历史最高计算保真度。研究团队还展示了首个基于逻辑量子比特的端到端化学模拟系统，成功解决了实际化学领域的难题。
微软团队解释称，这一突破主要归功于两个关键因素：作为硬件的H2离子阱量子计算机，以及作为软件的Azure Quantum量子比特虚拟化平台。微软的量子计算机采用一系列磁捕获的带电粒子作为量子比特，这与谷歌使用的超导线技术不同。这种设计使其能够采用特殊的量子纠错方法保护量子信息——将物理量子比特排列成四维超立方体几何结构，从而有效保护逻辑量子比特。
邦代桑强调，从理论角度来看，这种方法能够以更少的物理量子比特编码更多的逻辑量子比特，因此具有更高的效率。
与此同时，微软还宣布与原子计算公司合作，共同研发全球最强大的量子计算机，下一步目标是实现1000个高性能逻辑量子比特的集成。
此外，去年底，来自美国哈佛大学、QuEra等高校的科研团队在《自然》杂志发表论文，展示了他们基于中性原子体系研发的48个逻辑量子比特的量子计算原型机，并成功实现了对这些逻辑量子比特的逻辑操作演示。
玻色编码成为新的纠错技术热点
除了构建逻辑量子比特外，部分科学家另辟蹊径，探索其他量子纠错技术。
据《新科学家》周刊网站报道，美国耶鲁大学的本杰明·布罗克及其研究团队测试了一种名为玻色编码的新型纠错技术。这种方法巧妙地将错误分散到量子计算机的振动系统中。该系统采用可以表示更多数值的高维量子比特，因此在理论上具有更强的纠错能力。
今年9月，亚马逊量子计算团队展示了另一种名为”范畴量子比特”的玻色编码技术。与谷歌的研究成果相似，该技术的错误率会随着系统规模的扩大而降低。
英国伦敦大学学院的丹·布朗表示，谷歌和微软的研究更侧重于主流的、基于量子比特的量子计算；而耶鲁和亚马逊团队引入的玻色编码则更具创新性和探索性。
此前，谷歌和IBM公司曾预测，实用的容错量子计算机最早可能在2029年问世。然而，布朗等专家也指出，完全容错的量子计算系统可能仍需更长时间的研究探索。（记者 刘 霞）