Google 表示其刚刚破解了量子计算最大的瓶颈之一

简讯

• Google Quantum AI 周四表示，一种名为魔术态培育（magic state cultivation）的技术使其 Willow 芯片上的错误率降低了约 40 倍，产生的魔术态保真度达到 99.99%。
• 魔术态是运行实用量子程序所需的单次使用资源，Google 表示，据估计，制造这些资源的成本最高可占量子计算机容量的 95%。
• 培育技术是 Google 在 2025 年估计 RSA-2048 加密可能在不到 100 万个噪声量子比特下破解的秘诀之一，尽管破解代码需要错误率接近百亿分之一的魔术态。

Google 表示，它已将量子计算中最有前途的理论技巧之一转化为可以在芯片上实际运行的技术。

在周四发表于 Science 的一篇论文中，该公司的 Quantum AI 团队展示了一项名为魔术态培育的技术，使其 Willow 处理器上的错误率降低了约 40 倍。

降低量子计算机的构建成本其意义远超物理实验室，因为它提早了它们从事有用工作的日子（如设计药物和新材料），也提早了它们可能破解保护银行登录和 Bitcoin 钱包的加密技术的日子。

量子计算机运行在量子比特（qubits）上——这种量子位可以同时处于 0 和 1 的混合状态，使它们能够并行探索许多答案。它们也极其脆弱：一点点热量或电噪声就能翻转量子比特并破坏计算，这就是为什么整个行业都痴迷于纠错（将一条信息分散在多个量子比特中，以便捕获并修正错误）。

纠错能很好地处理简单操作，但真正实用的程序还需要一类无法以同样方式保护的更难的操作。为了运行这些操作，机器必须首先制造魔术态，其作用类似于这些操作的单次使用燃料电池：每一个都在使用瞬间被消耗。

产生洁净的魔术态一直以来成本极高。据 Google 称，一些估计认为这项支出高达量子计算机总容量的 95%，为实际计算留下的空间非常小。

物理学家 Sergei Bravyi 和 Alexei Kitaev 在 2004 年提出了标准的补救方案——魔术态蒸馏（magic state distillation），它摄取许多有噪声的魔术态，并将它们浓缩成少数洁净的魔术态。这行之有效，但它需要庞大的量子比特“工厂”，除此之外别无他用。

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2024 年，Google 研究人员提出了一种成本更低的路径，他们称之为魔术态培育。这项技术表现得像一个过滤器，而不是工厂，它将一个粗糙的魔术态注入芯片的一块微小区域，然后对其运行一系列检查，丢弃每一次检测到缺陷的尝试，并继续培育幸存者。他们的论文甚至暗示，在实践中“可能永远不需要”进一步的蒸馏。