科学家们首次在逻辑量子比特上成功演示了名为“魔态蒸馏”（magic state distillation）的过程。这意味着我们现在能够构建既无错误、又比超级计算机更强大的量子计算机。
在一项世界首创的研究中，科学家们展示了量子计算领域一个关键而神秘的现象，该现象有望催生比任何超级计算机都强大得多的容错量子计算机。
“魔态蒸馏”这一过程早在20年前就被提出，但科学家们一直未能在逻辑量子比特上实现它。长期以来，它一直被认为是产生高质量资源 —— “魔态”（magic states） —— 的关键，而魔态是实现量子计算机全部潜力所必需的。
魔态是预先制备好的量子态，它们随后会被最复杂的量子算法当作资源消耗掉。没有这些资源，量子计算机就无法利用量子力学的奇异定律来进行并行信息处理。
而魔态蒸馏是一个筛选过程，通过它，最高质量的魔态被“提纯”，从而能被最复杂的量子算法所利用。
迄今为止，这个过程只能在普通的、易出错的物理量子比特上实现，而无法在逻辑量子比特上实现。逻辑量子比特是由多个物理量子比特组成的群体，它们共享相同的数据，并被配置用于检测和纠正那些经常干扰量子计算操作的错误。
因为魔态蒸馏在逻辑量子比特上一直未能实现，所以理论上，使用逻辑量子比特的量子计算机一直无法超越经典计算机。
然而，现在来自QuEra公司的科学家们表示，他们首次在实践中在逻辑量子比特上成功演示了魔态蒸馏。他们将研究成果发表在7月14日的《自然》杂志上。
“没有魔态蒸馏这个过程，量子计算机就不可能兑现其承诺。这是一个必须达成的里程碑。”QuEra的首席商务官尤瓦尔·博格在接受媒体采访时表示。博格本人并未参与这项研究。
通往容错量子计算之路
量子计算机以量子比特（qubit）为基本构建单元，并利用量子逻辑（一套支配量子信息处理方式的规则和操作）来运行算法和处理数据。但挑战在于如何在运行极其复杂的算法时，同时保持极低的错误率。
问题在于物理量子比特本质上是“有噪声的”，这意味着计算经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都集中在量子纠错（QEC） 上。
减少错误（量子比特的错误率约为千分之一，而传统比特的错误率仅为百万亿分之一）可以防止计算中断，使计算得以顺利进行。这正是逻辑量子比特的用武之地。
“量子计算机要有用，就需要运行相当长且复杂的计算。如果错误率太高，那么计算结果很快就会变成一堆无用的数据。”该研究的主要作者、QuEra量子系统副总裁塞尔吉奥·坎图在接受采访时表示，“纠错的全部目标就是降低错误率，这样你就能安全地进行一百万次计算。”
逻辑量子比特是多个纠缠在一起的物理量子比特的集合，它们共享相同的信息，基于冗余原理构建。如果一个逻辑量子比特中的一个或多个物理量子比特失效，计算也不会中断，因为信息存在于其他地方。
但科学家们指出，逻辑量子比特的能力极其有限，因为应用于它们的纠错码只能运行“克利福德门”（Clifford gates） —— 量子电路中的基本操作。这些操作是量子电路的基础，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。
只有借助高质量的魔态，科学家们才能运行“非克利福德门”（non-Clifford gates），进行真正的并行处理。但生成这些魔态资源消耗极大且极其昂贵，并且迄今为止在逻辑量子比特上一直无法实现。
本质上，仅仅依靠在物理量子比特上进行魔态蒸馏，永远无法带来量子优势。为此，我们需要直接在逻辑量子比特上蒸馏魔态。
魔态铺就超越超级计算之路
“魔态使我们能够扩展可执行操作的数量和类型。实际上，任何有价值的量子算法都需要魔态。”坎图说道。
像我们过去那样在物理量子比特上生成魔态，效果参差不齐 —— 有低质量的，也有高质量的 —— 它们需要被精炼。只有这样，它们才能驱动最强大的程序和量子算法。
在这项研究中，科学家们使用Gemini中性原子量子计算机，将五个不完美的魔态蒸馏成一个更纯净的魔态。他们分别在Distance-3（距离3）和Distance-5（距离5）逻辑量子比特上独立完成了这个过程，证明其效果随逻辑量子比特质量的提升而增强。
“‘距离’越大意味着逻辑量子比特质量越好。例如，Distance-2意味着你可以检测到一个错误但无法纠正它。Distance-3意味着你可以检测并纠正一个错误。Distance-5则意味着你可以检测并纠正多达两个错误，以此类推。”博格解释道，“所以距离越大，量子比特的保真度就越高 —— 我们把它比作将原油蒸馏成航空燃油。”
蒸馏过程的结果是，最终魔态的保真度超过了所有输入的魔态。科学家们表示，这证明了容错的魔态蒸馏在实践中是可行的。这意味着，现在有可能构建一种量子计算机，它同时利用逻辑量子比特和高质量的魔态来运行非克利福德门。
“我们看到一种转变正在发生，这与几年前不同。”博格说，“过去的挑战是：量子计算机到底能不能造出来？然后是：错误能否被检测和纠正？我们、谷歌以及其他机构已经证明，是的，这是可以做到的。现在的挑战是：我们能否让这些计算机真正有用？而要让量子计算机真正有用，除了把它们做得更大，你还需要它们能够运行那些无法在经典计算机上模拟的程序。”
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