科學家們首次在邏輯量子比特上成功演示了名為“魔態蒸餾”（magic state distillation）的過程。這意味著我們現在能夠構建既無錯誤、又比超級計算機更強大的量子計算機。

在一項世界首創的研究中，科學家們展示了量子計算領域一個關鍵而神秘的現象，該現象有望催生比任何超級計算機都強大得多的容錯量子計算機。

“魔態蒸餾”這一過程早在20年前就被提出，但科學家們一直未能在邏輯量子比特上實現它。長期以來，它一直被認為是產生高質量資源 —— “魔態”（magic states） —— 的關鍵，而魔態是實現量子計算機全部潛力所必需的。

魔態是預先制備好的量子態，它們隨后會被最復雜的量子算法當作資源消耗掉。沒有這些資源，量子計算機就無法利用量子力學的奇異定律來進行并行信息處理。

而魔態蒸餾是一個篩選過程，通過它，最高質量的魔態被“提純”，從而能被最復雜的量子算法所利用。

迄今為止，這個過程只能在普通的、易出錯的物理量子比特上實現，而無法在邏輯量子比特上實現。邏輯量子比特是由多個物理量子比特組成的群體，它們共享相同的數據，并被配置用于檢測和糾正那些經常干擾量子計算操作的錯誤。

因為魔態蒸餾在邏輯量子比特上一直未能實現，所以理論上，使用邏輯量子比特的量子計算機一直無法超越經典計算機。

然而，現在來自QuEra公司的科學家們表示，他們首次在實踐中在邏輯量子比特上成功演示了魔態蒸餾。他們將研究成果發表在7月14日的《自然》雜志上。

“沒有魔態蒸餾這個過程，量子計算機就不可能兌現其承諾。這是一個必須達成的里程碑。”QuEra的首席商務官尤瓦爾·博格在接受媒體采訪時表示。博格本人并未參與這項研究。

通往容錯量子計算之路

量子計算機以量子比特（qubit）為基本構建單元，并利用量子邏輯（一套支配量子信息處理方式的規則和操作）來運行算法和處理數據。但挑戰在于如何在運行極其復雜的算法時，同時保持極低的錯誤率。

問題在于物理量子比特本質上是“有噪聲的”，這意味著計算經常受到溫度變化和電磁輻射等因素的干擾。這就是為什么大量研究都集中在量子糾錯（QEC） 上。

減少錯誤（量子比特的錯誤率約為千分之一，而傳統比特的錯誤率僅為百萬億分之一）可以防止計算中斷，使計算得以順利進行。這正是邏輯量子比特的用武之地。

“量子計算機要有用，就需要運行相當長且復雜的計算。如果錯誤率太高，那么計算結果很快就會變成一堆無用的數據。”該研究的主要作者、QuEra量子系統副總裁塞爾吉奧·坎圖在接受采訪時表示，“糾錯的全部目標就是降低錯誤率，這樣你就能安全地進行一百萬次計算。”

邏輯量子比特是多個糾纏在一起的物理量子比特的集合，它們共享相同的信息，基于冗余原理構建。如果一個邏輯量子比特中的一個或多個物理量子比特失效，計算也不會中斷，因為信息存在于其他地方。

但科學家們指出，邏輯量子比特的能力極其有限，因為應用于它們的糾錯碼只能運行“克利福德門”（Clifford gates） —— 量子電路中的基本操作。這些操作是量子電路的基礎，但它們過于基礎，以至于可以在任何超級計算機上進行模擬。

只有借助高質量的魔態，科學家們才能運行“非克利福德門”（non-Clifford gates），進行真正的并行處理。但生成這些魔態資源消耗極大且極其昂貴，并且迄今為止在邏輯量子比特上一直無法實現。

本質上，僅僅依靠在物理量子比特上進行魔態蒸餾，永遠無法帶來量子優勢。為此，我們需要直接在邏輯量子比特上蒸餾魔態。

魔態鋪就超越超級計算之路

“魔態使我們能夠擴展可執行操作的數量和類型。實際上，任何有價值的量子算法都需要魔態。”坎圖說道。

像我們過去那樣在物理量子比特上生成魔態，效果參差不齊 —— 有低質量的，也有高質量的 —— 它們需要被精煉。只有這樣，它們才能驅動最強大的程序和量子算法。

在這項研究中，科學家們使用Gemini中性原子量子計算機，將五個不完美的魔態蒸餾成一個更純凈的魔態。他們分別在Distance-3（距離3）和Distance-5（距離5）邏輯量子比特上獨立完成了這個過程，證明其效果隨邏輯量子比特質量的提升而增強。

“‘距離’越大意味著邏輯量子比特質量越好。例如，Distance-2意味著你可以檢測到一個錯誤但無法糾正它。Distance-3意味著你可以檢測并糾正一個錯誤。Distance-5則意味著你可以檢測并糾正多達兩個錯誤，以此類推。”博格解釋道，“所以距離越大，量子比特的保真度就越高 —— 我們把它比作將原油蒸餾成航空燃油。”

蒸餾過程的結果是，最終魔態的保真度超過了所有輸入的魔態。科學家們表示，這證明了容錯的魔態蒸餾在實踐中是可行的。這意味著，現在有可能構建一種量子計算機，它同時利用邏輯量子比特和高質量的魔態來運行非克利福德門。

“我們看到一種轉變正在發生，這與幾年前不同。”博格說，“過去的挑戰是：量子計算機到底能不能造出來？然后是：錯誤能否被檢測和糾正？我們、谷歌以及其他機構已經證明，是的，這是可以做到的。現在的挑戰是：我們能否讓這些計算機真正有用？而要讓量子計算機真正有用，除了把它們做得更大，你還需要它們能夠運行那些無法在經典計算機上模擬的程序。”

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