1995年，俄罗斯物理学家阿列克谢·基塔耶夫听到了量子计算的重大理论突破的报告。前一年，美国应用数学家彼得·肖尔设计了一个量子算法，可以将大数分解成它们的质因数。基塔耶夫无法获得肖尔论文的副本，所以他从头开始自己设计了一个版本——结果比肖尔的更通用。普雷斯基尔对这个结果感到兴奋，并邀请基塔耶夫访问他在加州理工学院的团队。

俄罗斯物理学家阿列克谢·基塔耶夫

基塔耶夫首次提出了一个有希望的理论方法，称为量子纠错的表面码。

1997年春天的短暂访问成果非凡。基塔耶夫告诉普雷斯基尔他一直在追求的两个新想法：一种“拓扑”量子计算方法，根本不需要主动纠错，以及基于类似数学的量子纠错码。起初，他不认为那个代码对量子计算有用。普雷斯基尔更加乐观，并说服基塔耶夫，他最初想法的轻微变化值得追求。

这个变化就是表面码，基于两个重叠的物理量子比特网格。第一个网格中的是“数据”量子比特，这些共同编码一个单一的逻辑量子比特。第二个网格中的是“测量”量子比特，这些允许研究人员间接地寻找错误，而不会干扰计算。

表面码有很多优势。其错误检查方案比竞争的量子码简单得多。它还只涉及相邻量子比特之间的相互作用。2006年，两位研究人员展示了优化版本的代码错误阈值约为1%，是早期量子码阈值的100倍，也就是对错误率宽容了100倍。

虽然通过足够巧妙的工程手段，科学家预计最终能够将物理量子比特的错误率降低到0.1%，远低于表面码的阈值，但建造一台全尺寸量子计算机并不容易。粗略估计表明，实际应用肖尔的因数分解算法需要数万亿次操作。任何一个未校正的错误都会破坏整个计算。因此，需要将每个逻辑量子比特的错误率降低到远低于一万亿分之一。每个逻辑量子比特可能需要数千个物理量子比特。如此巨大的物理量子比特需求就太吓人了。

谷歌团队花费了多年时间改进他们的量子比特设计和制造过程，他们采用超导量子比特，这是由超导金属在硅芯片上制成的微小电路，一个单独的芯片可以容纳许多排列成网格的量子比特，这正是表面码所要求的布局。

构建单个物理量子比特，其错误率低于表面码阈值，这并不难，关键是看看这些量子比特是否能够协同工作，制造出一个比部分之和更好的逻辑量子比特。也就是扩展代码时，通过使用更大的物理量子比特网格区域来编码逻辑量子比特，错误率会降低。

从可能的最小表面码开始，这叫“距离3”码，使用3乘3的物理量子比特网格来编码一个逻辑量子比特（另外还有八个量子比特用于测量，总共17个）。向上升级是距离5的表面码，总共有49个量子比特。（只有奇数的码距离才有用。）

在2023年的一篇论文中，团队报告说，距离5码的错误率比距离3码略低。在2024年初，他们有了一块全新的72量子比特芯片，代号为Willow，进行测试。进一步的实验表明，距离5码的错误率不是比距离3码略低，而是降低了50%，代码距离的一步提升将逻辑量子比特的错误率减半。

但是距离7码需要97个量子比特，超过了他们芯片上的总数。直到今年八月，一批新的105量子比特Willow芯片问世。团队进一步发现，从距离5码到距离7码再次将逻辑量子比特的错误率减半。

前路漫漫，“紧迫性非常强”

这个结果当然令量子计算研究人员兴奋不已。与此同时，研究人员认识到他们还有很长的路要走。谷歌团队目前只展示了使用单个逻辑量子比特的错误校正。在多个逻辑量子比特之间添加交互将带来新的实验挑战。

还有扩展的问题。为了使错误率足够低以进行有用的量子计算，研究人员需要进一步提高他们的物理量子比特。他们还需要制造出比距离7码更大的逻辑量子比特。最后，他们需要将这些逻辑量子比特组合起来——超过100万个物理量子比特。

当然，量子计算仍处于起步阶段，也许还会有替代的技术出现。

Aaronson在博客里的一条留言回复中说得好（此君精力旺盛，带好几个博士生，还带着他的几个孩子，每天下笔千行，这篇最新的博文还和读者聊起了叙利亚局势）：

如果有人认为我们即将获得个人QC（注：量子计算机），这将加快我们所做的一切，则需要告诉他们“QC 时代”还没有到来（事实上，可能永远不会到来）。另一方面，如果有人认为QC完全是骗局或误解，并且量子纠错在现实世界中永远行不通，那么他们需要被告知“QC 时代”已经到来。

谷歌的成果也激励了中国国内的同行。

中关村量子科技孵化器总经理、量子产业平台“光子盒”创始人顾成建告诉心智观察所：

过去一两年国内外都在“卷”量子比特数，如果不解决纠错平衡点问题，比特数越多理论上运算结果错误越多。谷歌这次首次突破量子纠错阈值，Willow能够以指数级减少错误！这解决了量子纠错领域近30年来一直追求的一个关键挑战。这层窗户纸的捅破，为大家对量子计算的研发进程大大提升了信心，未来的想象空间很大很乐观，虽然其展示的随机电路采样（RCS）基准计算问题仍然不是一个有实际意义的问题，但未来在密码破解和物理世界模拟表征上，如医药、新材料研发，乐观估计可能三五年内就会有实际应用出来，已经不远了。

国内产业界对谷歌的反应是普遍感到“紧迫性非常强”，也觉得谷歌带来了方向感和信心，证明这条路是走得下去的。具体到国内，此前百度、阿里撤出量子计算研究，一度引发关注，不过国内的主要研究力量还是在体制内，以国家实验室牵头，北京量子院、深圳量子院在人力和投入上都在稳定提升，势头良好，听说海外也有好几个团队打算回国来做。如果和经典计算机产业史比较，谷歌这次突破，可以类比1947年人类晶体管的发明，取代真空管的历史性时刻，未来的3-5年内，我们将不断见证量子计算的爆炸性时刻。

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