近期，中美兩國取得的兩大量子計算研究成果——超導量子計算機“祖沖之三號”與Willow站在了全球量子計算領域的最前沿。從公眾到傳媒，人們關注的焦點大都聚集在Willow宣稱的5分鐘可完成超算1025年的運算速度上。但實際上，這只是量子計算領域一個不錯的量變，遠非質變。因為算力之外，量子糾錯能力才是更需要關注的技術突破點。
什么是量子優越性
說起量子計算，一個重要的里程碑是量子優越性（也稱量子霸權）。
量子優越性，是指量子計算機在特定任務上遠超經典計算機的性能優勢。2019年，谷歌的超導量子計算機“懸鈴木”對“隨機線路取樣”這個數學問題，率先實現了量子優越性。2020年，中國科學技術大學的光量子計算機“九章”對“高斯玻色子”取樣，也實現了量子優越性。2021年，中國科學技術大學的超導量子計算機“祖沖之二號”也在超導體系和隨機線路取樣上實現了量子優越性。
雖然這些成果都具有1分鐘抵得上超級計算機多年的計算優勢，但實際上至今還沒有實用價值。這是因為它們只能處理“隨機線路取樣”和“高斯玻色子取樣”這兩個數學問題，而這兩個數學問題目前還沒有找到實用價值。
量子計算機的基本狀況，就是它目前還沒有實用價值。它或許是對某些問題算得快，但這些問題本身尚無用處；它或許是能處理一些有用的問題，但經典計算機對這些問題算得更快。Willow的5分鐘超強計算能力，也是“隨機線路取樣”，因此并沒有改變這個基本狀況。
量子糾錯如何實現
在量子優越性之后，下一個重要的里程碑是量子糾錯。
其實，經典計算機也需要糾錯，因為經典的比特有時也會出錯。但量子比特更容易受到環境的擾動，因此量子糾錯的重要性更高。在某種意義上，現在的量子計算機沒有實用價值，正是因為沒有糾錯。如果糾錯達到很高的水平，就可以執行一些真正有實用價值的任務，比如因數分解，它可以用來破解密碼。
量子糾錯和經典糾錯的基本思想很類似，都是用多個物理比特來“保”一個邏輯比特。比如，把1個比特復制成3個一組，正常情況下它們應該是000或者111，假設我們有一天突然看到001，這說明什么？有兩種可能性得到001：一種是一個0出錯，變成1；另一種是兩個1出錯，變成0。顯然第二種可能性遠低于第一種，于是我們少數服從多數，把那個1變成0，這就實現了糾錯。
需要注意的是，糾錯生效的前提，是糾錯前的錯誤率低于某個閾值。如果無糾錯時錯誤率就很高，那么不是“三個臭皮匠，頂個諸葛亮”，而是“跟臭棋簍子下棋，越下越臭”。實際上，以前的量子計算機糾錯實驗都是“越糾越錯”。
邁出量子計算堅實一步
Willow真正的重大進步在于，首次實現了“越糾越對”。它用了一種表面碼的糾錯方法，即用n×n的二維量子比特陣列，來實現一個邏輯量子比特。最小的1×1，就是沒有糾錯。3×3就是用9個物理量子比特，實現一個邏輯量子比特。5×5就是用25個物理量子比特，實現一個邏輯量子比特。以此類推。這里的n，稱為碼距。
Willow的實驗結果是，碼距為3的優于碼距為1的，即無糾錯；碼距為5的優于碼距為3的；碼距為7的優于碼距為5的。每次基本上錯誤率下降一半。目前的實驗做到碼距為7。
相比之下，中國在糾錯方面的成果是，兩年前率先演示了碼距為3的糾錯實驗，現在正在做碼距為7的實驗，預計數月內完成實驗。
量子優越性跟量子糾錯間的關系，可以說是前者是后者的基礎。如果能實現糾錯，那肯定就能實現量子優越性，因為糾錯意味著對量子比特的操控已經達到了一個很高的水平。
谷歌在報道中列出了一個六步走的量子計算路線圖：第一步是量子優越性，第二步是量子糾錯，第三步是長壽命的邏輯量子比特，第四步是邏輯門，第五步是工程擴展，最后一步是實現大規模的、有糾錯的量子計算機。2019年的“懸鈴木”是實現了第一步，現在的Willow是實現了第二步。
Willow和“祖沖之三號”的成果表明，量子計算的發展雖然是路漫漫其修遠兮，但又邁出了堅實的一步。
（作者系中國科學技術大學科技傳播系副主任）
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