來自13個頂尖科研單位的200多名研究人員，湊在一起共同完成一篇論文，這是什麼概念？
近日，Google在量子糾錯方面再次迎來重大突破！GoogleQuantum AI團隊及其合作者展示了其建構的表面碼可顯著降低錯誤率，並且能夠在低於有效量子糾錯的關鍵閾值下運行。如果對其進行擴展，裝置性能足以實現大規模容錯量子演算法所需的運行要求。
來源：arXiv
根據論文的作者資訊，研究單位包括：Google Research、馬薩諸塞大學阿默斯特分校、Google DeepMind、加州大學聖巴巴拉分校、康涅狄格大學、奧本大學、蘇黎世聯邦理工學院、麻省理工學院、加州大學河濱分校、耶魯量子研究所、耶魯大學等。
無需過多介紹，相信各位一定對它們的名字耳熟能詳——歐美量子科研的半壁江山，都齊聚在這篇論文裡了。
來源:arXiv
除了為大家詳細解讀這項科研成果，我們還希望呈現一種獨到的視角：透過這篇論文，看清當前的國際量子局勢，同時也為如何破局提供一些建議。
研究背景與成果
近期，最先進的多量子位元平台展示了保真度為99.9%的糾纏門，然而這依舊遠低於許多應用程式所需的<10^−10錯誤率。好在量子糾錯為我們提供了一種實現實用量子計算的途徑。
在這項研究中，研究團隊提出了兩個在該閾值以下運行的表面碼記憶體：在72量子位元處理器中實現了一個整合了即時解碼器的、碼距為5的表面碼，在105量子位元處理器中實現了一個碼距為7的表面碼。研究團隊發現，當碼距增加2時，更大量子記憶體的邏輯錯誤率被抑制了Λ=2.14±0.02。最終得到了由101個量子位元組成的、碼距為7、糾錯後錯誤率為0.143%±0.003%的表面碼。碼距為5的量子記憶體無法實現收支平衡，而碼距為7的量子記憶體超過了盈虧平衡點，比其最佳物理量子位元的壽命高出2.4±0.3倍。
為了探究糾錯性能的極限，研究團隊運行了碼距為29的重複碼，發現邏輯性能受到每小時（即3×10^9次循環）約發生1次成因尚未明確的罕見關聯錯誤事件的限制。結果表明，如果對其進行擴展，裝置性能足以實現大規模容錯量子演算法所需的運行要求。
最後，研究團隊證實，即便是即時解碼，碼距為5的72量子位元處理器也能夠在保持低於閾值的狀態下，實現可進行一百萬次循環、循環時間為1.1μs、平均延遲為63μs的解碼器。
研究方法
量子糾錯通過在許多糾纏物理量子位元上分佈量子資訊來實現高保真邏輯量子位元，換言之，通過將多個物理量子位元組合成一個邏輯量子位元來降低錯誤率，並且物理量子位元的數目越多，呈指數級抑制的邏輯位元錯誤率越低。然而，這有一個前提條件，那就是只有當物理錯誤率低於臨界閾值時，才會出現這種指數級抑制，這種關係近似表示為:
其中，d表示碼距，p和ϵ_d分別表示物理錯誤率和邏輯錯誤率，而p_thr是表面碼的錯誤閾值。
首先，研究團隊在擁有105個量子位元的超導量子處理器上建構了碼距為7的表面碼。為了提升量子位元的操作保真度，研究團隊借助改進製造工藝、提高參與比（participation ratio）、最佳化線路參數等手段，令量子位元的相干時間顯著增加。具體來說，105量子位元處理器的T_1（激發態到基態的能量退相干時間）為68μs，T_{2,CPMG}（採用Carr-Purcell-Meiboom-Gill序列測量到的相位退相干時間）為89μs。
研究團隊還對解碼進行了一些改進，採用了兩種離線高精度解碼器。一種是神經網路解碼器（neural network decoder），另一種是與相關最小權重完美匹配的解碼器。它們運行在不同的經典硬體上，提供了兩種潛在的、更高精度的即時解碼路徑。為了適應裝置噪聲，研究團隊利用處理器資料對神經網路進行微調，並對匹配圖權重進行強化學習最佳化。
研究團隊操作一個碼距為7的表面碼記憶體，包括49個資料量子位元，48個測量量子位元，和4個額外用於去除洩漏的量子位元。綜上所述，通過在ZXXZ表面碼X_L或Z_L中製備處於乘積態的資料量子位元來啟動表面碼操作。然後，重複糾錯循環次數可變的實驗，在此期間，測量量子位元從要傳送到解碼器的資料量子位元中提取奇偶校驗資訊。在每次校驗子（syndrome）提取之後，運行資料量子位元洩漏去除（data qubit leakage removal，DQLR），以確保洩漏到更高的狀態是短暫的。通過測量單個資料量子位元來測量邏輯量子位元的狀態，然後檢查解碼器修正後的邏輯測量結果是否與初始邏輯狀態一致。這一過程顯著提升了表面碼的糾錯能力。
此外，研究團隊模擬了更高碼距的邏輯量子位元，所使用的噪聲模型基於下圖b中的被測份量錯誤率、洩漏以及量子位元之間的雜散相互作用。研究團隊觀察到與實驗一致的抑錯，說明表面碼能夠在閾值以下工作。
來源：arXiv
接著，研究團隊使用72量子位元處理器運行碼距為29的重複碼執行了超過1000次糾錯，糾錯平均分佈在2×10^7個位元翻轉碼與相位翻轉碼之間。在5.5小時的處理器執行時間內，總共執行了2×10^10次糾錯。研究團隊發現，邏輯錯誤率可以被壓低至極低的水平，例如在碼距為29時達到10^-6以下。然而，當碼距進一步增大時，邏輯錯誤率出現了偏離指數下降的現象，表明在當前實驗條件下，存在一個由關聯錯誤引發的邏輯錯誤底線。
瘋狂合作的歐美，單打獨鬥的中國
隨著全球對量子資訊技術的戰略重視日益加深，眾多國家紛紛加速在這一前沿領域的戰略佈局。與此同時，為了把握量子技術帶來的革命性機遇，國際間的合作也在不斷加強，呈現出迅猛增長的態勢。Google此項研究中“群英薈萃”的局面，一定程度上也源於國際合作的持續擴大。
近幾年，我國一直被排除在歐美量子生態圈之外。從外及內是嚴格的進出口管制政策封鎖，由內而外是缺乏國際合作帶來的孤立無援，這種情況還會持續更久。
近期，全球多國的官方檔案中出現了相同的措施：限制量子技術及其相關技術（裝置、材料、軟體等）的出口。美國、英國、歐盟、法國、日本、荷蘭、加拿大和西班牙，均已經在近兩年發佈對量子技術的限制措施。
2024年1月，歐盟（EU）批准了一項由五個主要措施組成的經濟安全計畫，其中包括在出口管制方面採取更加統一的行動。為此，歐盟委員會發佈了一份出口管制白皮書，特別強調了成員國在半導體技術、量子計算以及其他新興技術領域的控制上存在的分歧，以及這些分歧可能帶來的風險。
2024年3月，英國商業和貿易部出口管制聯合股修訂了2008年發佈的出口管制條例《Export Control Order 2008》，以防止量子電腦和相關技術被對手用於軍事目的，修訂後的政策已於2024年4月1日生效。
2024年5月，美國商務部工業和安全域（BIS）根據《出口管理條例》（EAR）將37個實體列入實體清單，有22家機構和公司因參與中國的量子技術開發以及獲取或試圖獲取美國原產物項以增強中國的量子能力而被列入其中，包括北京量子院、中國科學技術大學和中國電科集團旗下多家研究所等。
2024年7月，隨著北約跨大西洋量子共同體（TQC）成立，科技鐵幕再度落下，這無疑又為我國量子事業的發展蒙上了一層陰影。
歐美擁有發達的量子生態系統，包括眾多科研院所及企業組成的發展聯盟，以及頻繁的合作項目，通過持續擴大的合作，歐美國家在量子科研、產業發展等領域取得了顯著的進展。
相比之下，我國的單打獨鬥，是自力更生，也是別無選擇。
所謂自力更生，是指儘管面臨國際合作的諸多限制，中國在量子科技領域依然取得了一系列令人矚目的成就。目前，中國量子科技發展十分迅速，在量子三大領域（量子計算、量子通訊、量子精密測量）全部位列第一梯隊。
2016年，中國發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，實現了量子通訊研究的領跑。此外，中國還建成了全球首個星地量子通訊網，進一步鞏固了在該領域的領先地位。2020年，我國成功研製出量子計算原型機“九章”，在處理高斯玻色採樣問題的速度方面，“九章”比當時世界最快的超級電腦還要快一百萬億倍，這使得中國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。
來源：中國科學技術大學
別無選擇，是指雖然中國在量子科技領域取得了一定的成就，但在裝置依賴進口、產業生態不健全等方面仍存在挑戰，而這些問題本可以通過國際合作得到改善。由於種種限制，中國不得不更多依賴於自身的研發能力。
目前，我國量子科研的核心裝置和關鍵材料存在進口依賴問題，關鍵領域自主可控水平較低。國內缺少高端測量測試裝置和電子元件的龍頭企業，創新能力尚顯不足，嚴重制約了量子資訊技術在硬體和整機研發上的進步。例如，研發超導量子電腦必不可少的稀釋製冷機，我國目前還依賴國外供應。同時，歐美各國日益收緊的量子出口限制政策，使形勢更加緊張。
此外，在量子產業生態建設方面，我國重視程度不足，國際合作亟待深化。量子產業是一個高度複雜和跨領域的產業，需要完善的產業生態系統來推動產業鏈的協調發展，產業聯盟在其中扮演著關鍵角色。美國的QED-C聯盟（量子經濟發展聯盟）就是一個很好的例子，它在國內外促進了產學研用的合作，成員包括美國的大型企業、初創公司、政府機構以及國際企業。相較之下，我國的量子聯盟多由國內領軍企業發起，缺少國家級機構的領導和協調，聯盟間的合作也不夠緊密。
在國際合作受限的背景下，向外尋求幫助的道路走不通。中國可以選擇換道而行，即進一步凝聚國內的科研力量，通過跨學科、跨機構的合作，將來自各方的力量緊緊團結在一起，實現1+1大於2的效果。
現在的環境中，這或許是我們唯一能走通的路，也是必須要走通的路。
破局之路，緊緊抓住三個關鍵
如何從歐美的層層封鎖包圍中破局而出？答案是：團結就是力量，合作才是王道。在中國建構良好的量子生態系統，需要緊緊抓住這三個關鍵：
第一個關鍵，政府、企業、高校和科研機構需要共同努力，加快量子創新聯合體建設。
政府需要出台詳細政策，通過財政資金、稅收優惠等方式，鼓勵企業加大對量子技術研究和開發的投入，幫助企業提升核心競爭力。
此外，政府需要牽頭，在企業與高校、科研機構之間搭建合作平台，促進雙方之間的技術交流和合作。通過制定合作計畫、組織產學研對接活動等方式，推動企業與高校、科研機建構立長期穩定的合作關係，促進量子科技成果轉移轉化。
第二個關鍵，努力攻關量子產業核心軟硬體及工程技術，保障產業鏈自主可控。
首先是要加強硬體自研，著眼解決根本問題，提高量子科技產業所需的關鍵材料、零部件、器材裝置的生產能力，減少對戰略競爭對手的依賴，保護我國重要核心產業鏈安全完整。
其次，在政策、資金等條件允許的情況下，可以嘗試對國際上核心裝置的某些上游企業進行投資或併購，逐步建立全球化技術創新網路。
第三個關鍵，組建國家級量子產業聯盟，加強量子科技前沿國際合作。
我國應當借鑑美國QED-C聯盟和歐洲的QuIC等成功案例，成立由政府引導的量子資訊技術產業聯盟。通過建立量子產業叢集，強化聯盟、行業組織、學術界和產業論壇在技術研究、人才培育和應用推動上的功能，形成多樣化、系統化的產業增長力量，推動量子資訊技術產業的穩定和可持續發展。
在國際環境日益複雜化的背景下，中國應把握好當前的戰略機遇期，積極參與國際量子技術的研究與開發。可以利用量子科學實驗衛星等關鍵科研設施，建立一個量子科技的國際交流合作平台，吸引來自歐洲、日本、韓國、金磚國家以及來自第三世界開發中國家的傑出科學家和青年才俊來華進行學術交流與合作研究。同時，要充分利用學術組織、非政府機構和行業機構的力量，拓展量子技術的交流與合作，建構以中國為核心的國際合作交流新生態。
參考連結
[1]https://arxiv.org/2408.13687
[2]https://www.gov.uk/government/publications/notice-to-exporters-202404-the-export-control-amendment-regulations-2024/nte-202404-the-export-control-amendment-regulations-2024
[3]https://www.bis.gov/press-release/commerce-releases-clarifications-export-control-rules-restrict-prcs-access-advanced
[4]https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-8-933&id=492969
[5]https://news.ustc.edu.cn/info/1056/73455.htm (光子盒)