可靠量子計(jì)算已經(jīng)到來？最近，微軟量子團(tuán)隊(duì)在 arXiv 連續(xù)發(fā)表兩篇論文，稱其所研發(fā)的 4D 幾何編碼方法僅需極少的物理量子比特就能一次性完成錯誤檢測，同時能將量子系統(tǒng)錯誤率降低至原數(shù)值的 1/1000，并表示憑借此他們已經(jīng)破解了量子計(jì)算機(jī)糾錯背后的難題。

即使是高質(zhì)量的物理量子比特也需要糾錯來創(chuàng)建和糾纏邏輯量子比特，以便能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的量子計(jì)算。為此，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一系列 4D 幾何編碼，這些編碼可以將物理量子比特的錯誤率降低幾個數(shù)量級，使其達(dá)到量子電路可靠運(yùn)行所需的水平。同時，這些編碼可在微軟量子計(jì)算平臺上使用，適用于具有全互連特性的量子比特，比如中性原子、離子阱和光子學(xué)。

圖 | 4D 幾何編碼方案可以通過構(gòu)建 4D 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)錯誤檢測（來源：微軟）

對于 4D 幾何編碼來說：首先，它可以讓構(gòu)建邏輯量子比特所需的物理量子比特?cái)?shù)量減少五分之四。其次，它具備高效的邏輯運(yùn)算能力，擁有單次操作特性，可以快速實(shí)現(xiàn)錯誤校正。再次，它能夠提高量子硬件的性能，將物理錯誤率從 10?3（千分之一）降低到約 10??（百萬分之一）。

憑借這些特性，這一系列編碼方案展現(xiàn)出多重優(yōu)勢。其能讓糾錯診斷步驟得到大幅簡化，從而實(shí)現(xiàn)低深度量子操作與運(yùn)算。此外，這些編碼減少了實(shí)現(xiàn)容錯量子計(jì)算所需的物理量子比特?cái)?shù)量，加快了邁向?qū)嵱靡?guī)模的進(jìn)程。據(jù)了解，這一系列編碼是微軟量子計(jì)算平臺可用的眾多編碼之一，該團(tuán)隊(duì)為其配備了一套完整的高效操作，使得任何量子算法的編譯都成為可能。未來，當(dāng)把這些編碼整合到微軟量子團(tuán)隊(duì)的全棧系統(tǒng)中，有望在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn) 50 個邏輯量子比特的創(chuàng)建和糾纏，同時也有潛力擴(kuò)展至數(shù)千個邏輯量子比特。

（來源：微軟）

將量子處理表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射到 4D 晶格

眾所周知，所有計(jì)算機(jī)都可能產(chǎn)生錯誤。當(dāng)今大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)所使用的量子比特非常容易出錯，因此自身無法進(jìn)行可靠的計(jì)算。要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜問題的潛力，需要滿足以下兩個前提條件：一是使用具有高保真度的物理量子比特；二是應(yīng)用能夠創(chuàng)建可靠邏輯量子比特的糾錯碼，這些邏輯量子比特的錯誤率要顯著低于相應(yīng)物理量子比特的錯誤率。

在經(jīng)典計(jì)算中，糾錯是通過復(fù)制每一比特傳輸?shù)男畔韺?shí)現(xiàn)的。如果其中一個或多個比特丟失或損壞，剩余的比特仍能保留原始信息。然而，量子比特?zé)o法被復(fù)制。對它們進(jìn)行測量時，還會發(fā)生所謂的“坍縮”現(xiàn)象。這使得在錯誤發(fā)生時（量子比特發(fā)生錯誤的概率遠(yuǎn)高于經(jīng)典比特）檢測并糾正錯誤變得困難得多。

典型的量子糾錯設(shè)置需要向系統(tǒng)中添加額外的物理量子比特，這些量子比特會與通常承載量子信息的邏輯量子比特產(chǎn)生糾纏，這讓人們無需測量邏輯量子比特（以免導(dǎo)致其坍縮），而是可以通過測量與之糾纏的物理量子比特來檢測錯誤，從而使計(jì)算過程得以繼續(xù)。

本次微軟量子團(tuán)隊(duì)在量子糾錯過程中采用的 4D 編碼技術(shù)，其核心在于將量子處理表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射到 4D 晶格上，利用這種方法能夠構(gòu)建出具有自校正特性的量子存儲器。

多數(shù)現(xiàn)有的糾錯技術(shù)要么難以擴(kuò)展，要么消耗過高，要么兩者兼而有之。量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)容錯所需的物理量子比特?cái)?shù)量越多，且所需的糾錯次數(shù)越多，計(jì)算過程中消耗的能量就會越多。而此次微軟的 4D 幾何編碼具有以下三大優(yōu)勢：一是每個邏輯量子比特所需物理量子比特?cái)?shù)量極少，二是支持單次測量完成錯誤檢測，三是能將錯誤率降低三個數(shù)量級。因此，可以在一定程度上緩解上述問題。

在本次成果的其中一篇論文里，該團(tuán)隊(duì)表示，這一成果的核心創(chuàng)新在于對環(huán)面結(jié)構(gòu) 4D 幾何糾錯編碼進(jìn)行了物理形態(tài)的螺旋扭曲。4D 幾何編碼方案可以在系統(tǒng)中構(gòu)建 4D 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)錯誤檢測，通過量子糾纏將采樣空間與操作空間建立關(guān)聯(lián)。其中，采樣空間是運(yùn)行糾錯編碼的區(qū)域，操作空間是存儲量子比特信息的區(qū)域。這一編碼技術(shù)通過數(shù)學(xué)表達(dá)式在 4D 空間中運(yùn)作，其核心原理是讓糾纏點(diǎn)能夠在“環(huán)面”（可類比為甜甜圈形狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）表面建立連接。

雖然在過去 4D 編碼已被用于創(chuàng)建自校正量子存儲器，但此次應(yīng)用更加具有創(chuàng)新性，因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)算出了幾何結(jié)構(gòu)上的一個“扭曲”，該扭曲使得相同數(shù)量的編碼能夠使用更少的物理量子比特糾纏來覆蓋相同的系統(tǒng)空間。通過扭曲幾何結(jié)構(gòu)，4D 編碼疊加層會創(chuàng)建一個更大的表征空間，該空間能反映所使用的實(shí)際量子比特的更多量子態(tài)。這樣一來，就可以在不干擾系統(tǒng)內(nèi)實(shí)際發(fā)生的量子過程的情況下，檢測編碼中的錯誤。

總的來說，4D 編碼旨在借助適量的物理量子比特，高效地實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特?cái)?shù)量的不斷增加，同時支持低深度邏輯循環(huán)與通用容錯，因此未來通用容錯量子計(jì)算機(jī)或許可以通過 4D 幾何編碼實(shí)現(xiàn)。與此同時，微軟量子團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行了扭曲編碼，并表示已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本次理論。

此外，該團(tuán)隊(duì)還驗(yàn)證了另一項(xiàng)新技術(shù)：在量子比特原子丟失時實(shí)現(xiàn)原子替換。在特定量子計(jì)算系統(tǒng)中，量子比特的制備需通過激光鑷子俘獲中性原子并將其固定在晶格位點(diǎn)。而在運(yùn)算過程中，這些原子可能發(fā)生逃逸或位點(diǎn)丟失現(xiàn)象，而該團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了運(yùn)算周期內(nèi)的原子替換，通過原子束將新原子注入陣列，且全程不影響計(jì)算進(jìn)程。值得注意的是，這篇論文的作者達(dá)到幾十位之多。

圖 | 相關(guān)論文（來源：arXiv）

微軟量子團(tuán)隊(duì)已與美國量子初創(chuàng) Atom Computing 聯(lián)合探索應(yīng)用場景

此前，微軟量子團(tuán)隊(duì)通過將其量子比特虛擬化系統(tǒng)應(yīng)用于美國量子初創(chuàng)公司 Atom Computing 的中性原子，創(chuàng)建并糾纏了 24 個可靠的邏輯量子比特。相較于其他一些量子比特技術(shù)，Atom Computing 的中性原子量子比特具有多項(xiàng)優(yōu)勢，其中包括因其不帶電荷而能夠在陣列中緊密排列，這為其提供了廣泛的可擴(kuò)展性。此外，這些量子比特可以靈活移動，從而能與其他原子實(shí)現(xiàn)相互作用。同時，它們對噪聲的抗干擾性強(qiáng)，并且具備量子糾錯所需的高保真度。

自微軟量子團(tuán)隊(duì)上次宣布與 Atom Computing 開展合作以來，后者已在其硬件平臺上實(shí)現(xiàn)了量子比特的中途測量性能提升，并成功演示了量子比特重置與復(fù)用功能。這項(xiàng)技術(shù)允許在測量一部分量子比特的同時保留已測量和未測量的量子比特，它改進(jìn)了錯誤糾正能力，提高了可執(zhí)行量子計(jì)算的復(fù)雜度，并為容錯量子計(jì)算鋪平了道路。另據(jù)悉，Atom Computing 中性原子的雙量子比特門保真度為 99.6%，截至目前這仍然是商業(yè)系統(tǒng)中中性原子量子比特的最高保真度。

據(jù)介紹，Atom Computing 的中性原子量子比特憑借高保真度、全互聯(lián)架構(gòu)和長相干時間三大核心優(yōu)勢，與微軟量子計(jì)算平臺能夠形成技術(shù)互補(bǔ)，以便高效地構(gòu)建邏輯量子比特體系。據(jù)了解，美國麻省理工學(xué)院本科校友、美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校博士畢業(yè)生本·布魯姆（Ben Bloom）是 Atom Computing 的創(chuàng)始人兼 CEO，他領(lǐng)導(dǎo)著該公司在邏輯量子比特、容錯量子計(jì)算和中性原子系統(tǒng)領(lǐng)域的開發(fā)工作。此前，本·布魯姆曾致力于各種量子技術(shù)研究，在意識到中性原子系統(tǒng)為大規(guī)模量子計(jì)算提供了最佳路徑后，他于 2018 年創(chuàng)立了 Atom Computing，并獲得了和微軟量子團(tuán)隊(duì)開展合作的機(jī)會。

（來源：https:///quantum-computing-technology/）

目前，微軟量子團(tuán)隊(duì)的成果正處于可靠量子計(jì)算的早期階段。隨著更多人采用協(xié)同設(shè)計(jì)方法來探索量子架構(gòu)、算法和應(yīng)用之間的相互作用，預(yù)計(jì)實(shí)際應(yīng)用將開始逐步顯現(xiàn)。據(jù)介紹，量子計(jì)算最具突破性的應(yīng)用場景，很可能出現(xiàn)在利用量子技術(shù)改進(jìn)和加速其他技術(shù)的領(lǐng)域，比如高性能計(jì)算和人工智能。眼下，微軟量子團(tuán)隊(duì)正在通過將量子硬件與量子計(jì)算平臺加以深度耦合，持續(xù)推動量子優(yōu)勢能力的突破。同時，這一系列新技術(shù)是自下而上構(gòu)建的，其容錯方案不僅適用于已經(jīng)得到測試的硬件平臺和應(yīng)用場景，也具備跨平臺的擴(kuò)展?jié)摿Α?/span>

參考資料：

https:///abs/2506.15130

https:///abs/2506.09936

https:///wp-content/uploads/2025/01/Atom-Computing-Whitepaper-2025.pdf

https:///quantum-computing-technology/

https://azure.microsoft.com/en-us/blog/quantum/2025/06/19/microsoft-advances-quantum-error-correction-with-a-family-of-novel-four-dimensional-codes/

排版：劉雅坤