[解读科学]致命量子计算误差有望破解，“关键钥匙”已找到

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量子计算机是一项有望攻克现有一切计算难题的新技术。其远超传统的计算能力同时也带来一把“双刃剑”——计算误差。要实现量子计算技术的实用化，解决误差问题是必不可少的。近日，韩国本土科研团队发布了达到全球量子计算机领军企业水准的成果，引发关注。

◇运算速度虽落后，误差纠正却领先＝韩国科学技术研究院（KIST）于上月29日表示，其量子技术研究团Lee Seungwoo博士团队开发出了世界最高水准的量子误差纠正技术，并以此为基础设计出了容错量子计算架构。研究还证明，利用这一技术，有望超越近期由通用量子计算机开发领军企业——美国PsiQuantum公司推出的量子误差纠正技术的性能。

Lee Seungwoo KIST 研究员

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量子运算的最小单位“量子比特”（qubit）与传统计算机不同，所承载的信息不是0或1的单一取值，而是0到1之间的叠加态，因此可以实现远超传统计算机的性能。

问题在于：输入信息会快速丢失，而且极易产生误差。即便不断改善量子比特中出现的误差和控制精度，随着系统规模和运算规模的扩大，误差会不断累积，最终将无法发挥计算机的作用。解决这一问题的方法正是“量子误差纠正（Quantum error correction）”。无论量子比特性能多高，如果误差率居高不下也无济于事。这也是为何在量子计算开发中处于领先地位的主要国家和企业，在提升性能的同时，都将研发量子误差纠正技术作为重点的原因。

实施量子误差纠正的通用量子计算机性能，通常以“最大容错阈值（Fault-tolerance threshold）”来衡量。该阈值体现了在量子计算中对误差的纠正能力，误差纠正技术和架构设计越优秀，其数值就越高。

PsiQuantum正在利用光子的纠缠资源、融合（fusion）技术和误差纠正技术开发量子计算机。PsiQuantum方式的最大光损失容错阈值被报告为2.7%。而KIST研究团队开发的新误差纠正方法展现出了远优于PsiQuantum方式的性能。

KIST的技术最高可实现14%的光损失容错阈值，这是目前全球已报道的最高阈值数值。此外，在相同光子消耗量的条件下，KIST的误差纠正方法相比PsiQuantum方式展现出了更为优异的资源效率。

此次成果由纯本土科研团队独立完成，具有重要意义：在量子计算领域属于后发国家的韩国，成功开发出了世界最高水准的核心技术。在普遍认为韩国量子技术远逊于量子强国的评价背景下取得这一成果，更显突出。当前，海外主要企业的量子计算性能已达到约1000量子比特水平，而韩国才刚刚处于挑战20量子比特的阶段。

尹锡悦总统去年6月在首尔东大门设计广场（DDP）出席“量子科学技术的现在与未来对话”活动结束后，前往“Quantum Korea 2023”展馆，参观韩国标准科学研究院的超导基础50量子比特量子计算机模型。总统府通讯摄影记者团提供 图片由联合通讯社提供

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科学技术信息通信部部长Yoo Sangim甚至表示，在三大“游戏规则改变者”（Game Changer）技术中，他对量子最为担忧，可见国内对量子领域的期待值依然不高。本次成果也有望成为扭转这种担忧的“一记反击重拳”。

量子误差纠正技术不仅适用于光子体系，在超导、离子阱、中性原子等量子计算开发中起绝对性作用的量子比特研发上，同样是不可或缺的关键要素。这是一个全球范围内研发竞争极为激烈的领域。

此次成果被寄予厚望，被认为为韩国追赶乃至超越美国等量子领域先导国家的技术实力展现了可能性，也为韩国量子产业奏响了“希望之歌”。

KIST目前已就此次成果完成国内外专利申请。KIST也期待该技术将在构建自主通用量子计算系统方面发挥重要作用。

KIST的Lee Seungwoo博士表示：“与半导体芯片设计技术相似，量子计算同样高度依赖架构设计。即便拥有1000个量子比特，如果没有能够实施误差纠正的结构，连一个逻辑量子比特的运算都很困难。”他还表示：“量子计算的实用化仍然需要时间，但此次研究有望在一定程度上提前这一时间点。”

◇海外学者同样激烈争夺量子误差技术＝近期，在通用量子计算机开发方面处于领先地位的Google、Amazon Web Services、PsiQuantum、Sandoo、哈佛大学、QuEra、东京大学等全球科研机构和企业，无一例外都在集中力量攻关量子误差纠正技术。

哈佛大学教授Mikhail Lukin也在去年6月于京畿道一山KINTEX会展中心举行的“Quantum Korea 2024”特别演讲中，介绍了通过以“中性原子”为量子比特的量子计算机研究，实现传统量子计算机被认为不可能实现的误差纠正的成果，备受瞩目。

Lukin教授团队利用多个中性原子单独构建出“逻辑量子比特”结构，从而成功稳定（stabilize）量子信息并降低误差。

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Lukin教授表示：“我认为在量子计算机的性能、可控性以及误差方面，今后还会有大量改进。”他还指出：“量子科学是一门将纯科学与工程应用相结合的学科”，“能够达到约100量子比特规模的设备将在不远的将来问世。”

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