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据谷歌最新官方确认[1]，谷歌通过多个物理量子比特构建了逻辑量子比特并对信息进行编码，首次通过增加量子比特来降低计算错误率，达成了该公司在通往构建大型量子计算机道路上的第二个里程碑。
最新研究成果已发表在Nature期刊上[2]。
图｜发表于Nature的突破性文章
该工作由上百人的团队参与研究，阵容巨大。作为关键性的量子纠错的突破，谷歌的物理学家在加州圣巴巴拉的一个实验室里证明，可以通过量子代码更大程度来降低计算的错误率，从而开启量子计算研究突破的新里程。
01 第一个里程碑：量子霸权
2019年10月，谷歌公司宣布取得了量子霸权的突破，这是一个具有里程碑意义的事件[3]。
图｜Sycamore的量子计算芯片（图源：Google）
具体来说，当时谷歌团队使用了名为Sycamore的量子计算芯片，在200秒内完成了一个超级计算机需要10,000年才能完成的计算任务，证明了量子计算的实用性（客注：虽然后来中国的科学家证明了同样的问题在极短的时间内用经典计算的方式可以达成）。
这个里程碑并非易事，还得从谷歌成立量子人工实验室开始说起，简要的时间节点如下：
2014年：谷歌成立了量子人工智能实验室。
2016年：谷歌开始尝试使用Sycamore量子计算机进行量子霸权实验。
2017年：Sycamore量子计算机的原型机完成。
2018年：Sycamore量子计算机被进一步升级并开始进行量子霸权实验。
2019年：谷歌宣布实现了量子霸权，并在《自然》杂志上发表了论文。
同样是3年的时间，完成了第一个里程碑，虽然这一里程碑带来了巨大的争议，但突破仍然具有里程碑的意义。
图｜谷歌量子计算团队与设备（图源：Google）
首先，它证明了量子计算具有相较于经典计算的优越性，这意味着我们可能使用量子计算机来解决一些传统计算机无法解决的复杂问题。
其次，量子霸权的实现也推动了量子计算机技术的进一步发展。科研人员可以更好地理解和掌握量子计算机的工作原理以及大规模生产该设备的可能性，进一步完善和优化量子计算机的设计和性能，为下一阶段夯实基础。
并且，这个突破也激发了业界对于量子计算的研究和发展的兴趣。纵观过去量子计算的投资情况，许多公司和研究机构都是在这一年之后，开始加大对量子计算的投入，并希望能够在这个领域获得领先突破。
但即便那时候给业界带来了利好的信息，量子纠错的问题，在过去依然像一座大山压在整个量子计算行业的头上，同样是3年的后的今天，这个格局似乎发生了变化。
02 第二个里程碑：步入量子纠错时代
量子信息的特殊性质使得它非常容易受到干扰和噪声的影响，业界一直致力于解决该问题，理想的方案被称为量子纠错（Quantum Error Correction）[4]。
量子纠错是量子计算里关键性的技术，主要目的是保证量子计算处理信息时的可靠性。
其基本原理是使用量子纠错码，将多个量子比特编码为一个量子比特的组合，形成纠错单元。
当其中一个量子比特发生误差时，纠错码可以检测到这个错误并进行纠正。这个过程需要在量子比特的状态被观测之前进行，因为一旦量子比特被观测，其状态就会受到破坏。
量子纠错最早要追溯到上个世纪：
1995年，Peter Shor提出了利用量子计算机解决大质数因子分解问题的算法，这是量子计算的一个重要突破，也引发了量子纠错的研究。
1996年，首次提出了量子纠错的思想，并提出了一些基本纠错方法。
2000年，第一个实现量子纠错的实验被报导。
2013年，一个叫做“脉冲门饱和”的技术被提出，可以提高量子比特的稳定性和可靠性。
虽然量子纠错的研究已经取得了重要的进展，但是其仍面临着许多挑战，其中，最大的挑战之一是纠错的复杂性。
由于量子信息的特殊性质，对于任何量子比特的状况进行准确的测量都非常困难。
此外，量子比特的稳定性和可靠性也是一个重要的问题，需要通过技术手段来保证量子比特的稳定性和长期的存储。
因此如何设计和实现高效的量子纠错码是一个软件+工程技术的挑战问题。
过去，很多量子计算领域的引领者都提出了类似的观点，量子纠错是量子计算未来能否成功的关键。
而今谷歌量子人工智能团队此次的突破，意味着基于低温超导技术路线可以朝开发大规模有用的量子计算机迈出步伐。
因此，这次突破相较于第一次，意义更为深远。
因为此次突破是对逻辑量子比特原型的首次展示，表明通过增加量子比特的数量来达成量子纠错的路径行得通。
而量子计算时代也正式从过去抬不起头的物理比特（Pyhsical qubit）时期跨入逻辑比特（Logical qubit）时期。
某种意义上，超导量子计算机现在才真正意义上开始看到未来的可能性和希望。
03 下一个里程碑在哪里？
从最新的突破可表明，量子计算经历了长达40年的漫长发展后，开始进入了过去预测的QEC时代（Quantum error correction），虽然距离纠错量子计算机距离有很长的距离。
过去，谷歌团队对外提出了很多行业启发的思考，比如，如何定义每个阶段的成功，如何衡量发展阶段的进步，以及通过路线图的设定，如何正确评估它的准确性以及可靠性。
图｜谷歌量子的“登峰”示意图（图源：Google）
2020年，谷歌曾发布了一份量子计算路线图，将发展的路线划分了从M1到M2六个关键里程碑。
量子霸权第一，属于M1阶段，而当前最新成果代表了M2，下一个里程碑式M3，代表能够制备一个长时效的逻辑量子比特的量子计算机。
图｜谷歌发布的量子计算路线图（图源：Google）
到达M4阶段，那时候便可以实现量子计算机商业应用的基本价值，此时，可能诞生出一系列经典-量子混合的应用验证。
最后一个里程碑M6是实现100万个物理量子比特组成的量子计算机，可编码1000个逻辑量子比特，可以做到完全的容错量子计算机。
此时的量子计算机，完全可以解决理论上可以量子加速的诸多问题。因为业界有了过去不曾存在的设备可以拿来测试，新的应用也会应运而生。
总体而言，对于超导量子计算路线，谷歌的突破迎来新希望，也奠定了该技术路线长远发展的信心。
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