谷歌称已攻克量子计算最大瓶颈之一

谷歌表示，它已将量子计算中最有前景的纸上技巧之一，变成了在芯片上真正可行的东西。

在周四发表于《科学》（Science）的一篇论文中，该公司的量子人工智能团队展示，一种名为魔法态培育的技术在其 Willow 处理器上将错误减少了约 40 倍。

让量子计算机的建造成本更低，其意义远不止于物理实验室，因为它会让我们更早迎来它们从事有用工作的那一天，比如设计药物和新材料，也会让我们更早迎来某一天，届时有人可能破解保护银行登录和比特币钱包的加密。

量子计算机依靠量子比特运行——量子比特可以同时处于0和1的叠加态，从而让它们并行探索许多答案。它们同时也极其脆弱：一点点热量或电噪声就能翻转一个量子比特并破坏一次计算，这就是为什么整个行业都痴迷于纠错（将一条信息分散到许多量子比特上，以便发现并修正错误）。

纠错能很好地处理简单操作，但一个真正有用的程序还需要一类更困难的操作，而这类操作无法以同样的方式受到保护。要运行它们，机器首先必须制造魔法态，这些魔法态就像用于这些操作的一次性燃料电池：每一个在使用的那一刻就被消耗掉。

生产干净的魔法态一直代价高昂得惊人。根据谷歌的说法，一些估计认为这笔开销高达量子计算机全部能力的95%，留给实际计算的余地非常小。

物理学家谢尔盖·布拉维（Sergei Bravyi）和阿列克谢·基塔耶夫（Alexei Kitaev）在2004年提出了标准的解决方案——魔法态蒸馏，它把许多含噪声的魔法态提炼成少数干净的魔法态。这种方法有效，但它需要庞大且只做这件事的量子比特“工厂”。

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2024年，谷歌研究人员提出了一种更廉价的途径，他们称之为魔法态培育。这种技术不像工厂，而更像一个过滤器，将粗糙的魔法态注入芯片的一小块区域，然后对其运行一连串检查，丢弃每一个检测到缺陷的尝试，并让幸存者继续增长。他们的论文甚至提出，进一步的蒸馏“在实践中可能永远不需要”。

“在谷歌量子人工智能的Willow处理器上，我们的协议实现了相对于未培养态高达40倍的错误率降低。我们获得了逻辑保真度达到99.99%的创纪录T态，”谷歌表示。

只有约8%的尝试通过了所有检查，这意味着该芯片每10次尝试中会丢弃超过9次，以保持一个干净的状态。

培养是吉德尼2025年估计背后的技巧之一，该估计认为RSA-2048加密可以用不到一百万个噪声量子比特来破解，这比他2019年估计的2000万个减少了20倍。在这次实验之前，培养仅在理论和计算机模拟中经过测试。

谷歌在3月继续拧紧螺丝，当时一份与以太坊基金会研究员贾斯汀·德雷克和斯坦福密码学家丹·博内合著的量子人工智能白皮书将破解比特币椭圆曲线密码学（即阻止任何人从你的公开地址推导出你的私钥的数学）的成本定为少于50万个物理量子比特。这紧随该公司去年10月的量子回声实验，这是首次在真实硬件上验证的量子加速。

没有人正在用这个掏空钱包。该实验最多使用了Willow的105个量子比特中的54个，论文指出，分解一个RSA-2048密钥需要错误率约为百亿分之一的魔法态，大约比谷歌刚刚实现的干净一百万倍。

谷歌表示，下一步是在更大规模上运行培养。该团队预计，将Willow的底层硬件噪声减半将使魔法态错误率降至约十万分之二，因为该过程中的错误会随芯片噪声水平的立方而缩小。