近期，中美两国取得的两大量子计算研究成果——超导量子计算机“祖冲之三号”与Willow站在了全球量子计算领域的最前沿。从公众到传媒，人们关注的焦点大都聚集在Willow宣称的5分钟可完成超算1025年的运算速度上。但实际上，这只是量子计算领域一个不错的量变，远非质变。因为算力之外，量子纠错能力才是更需要关注的技术突破点。
什么是量子优越性
说起量子计算，一个重要的里程碑是量子优越性（也称量子霸权）。正确的生肖
量子优越性，是指量子计算机在特定任务上远超经典计算机的性能优势。2019年，谷歌的超导量子计算机“悬铃木”对“随机线路取样”这个数学问题，率先实现了量子优越性。2020年，中国科学技术大学的光量子计算机“九章”对“高斯玻色子”取样，也实现了量子优越性。2021年，中国科学技术大学的超导量子计算机“祖冲之二号”也在超导体系和随机线路取样上实现了量子优越性。
虽然这些成果都具有1分钟抵得上超级计算机多年的计算优势，但实际上至今还没有实用价值。这是因为它们只能处理“随机线路取样”和“高斯玻色子取样”这两个数学问题，而这两个数学问题目前还没有找到实用价值。
量子计算机的基本状况，就是它目前还没有实用价值指什么生肖。它或许是对某些问题算得快，但这些问题本身尚无用处；它或许是能处理一些有用的问题，但经典计算机对这些问题算得更快。Willow的5分钟超强计算能力，也是“随机线路取样”，因此并没有改变这个基本状况。
量子纠错如何实现
在量子优越性之后，下一个重要的里程碑是量子纠错。
其实，经典计算机也需要纠错，因为经典的比特有时也会出错。但量子比特更容易受到环境的扰动，因此量子纠错的重要性更高。在某种意义上，现在的量子计算机没有实用价值，正是因为没有纠错。如果纠错达到很高的水平，就可以执行一些真正有实用价值的任务，比如因数分解，它可以用来破解密码。
量子纠错和经典纠错的基本思想很类似，都是用多个物理比特来“保”一个逻辑比特。比如，把1个比特复制成3个一组，正常情况下它们应该是000或者111，假设我们有一天突然看到001，这说明什么？有两种可能性得到001：一种是一个0出错，变成1；另一种是两个1出错，变成0。显然第二种可能性远低于第一种，于是我们少数服从多数，把那个1变成0，这就实现了纠错。
需要注意的是，纠错生效的前提，是纠错前的错误率低于某个阈值。如果无纠错时错误率就很高，那么不是“三个臭皮匠，顶个诸葛亮”，而是“跟臭棋篓子下棋，越下越臭”。实际上，以前的量子计算机纠错实验都是“越纠越错”。
迈出量子计算坚实一步
Willow真正的重大进步在于，首次实现了“越纠越对”。它用了一种表面码的纠错方法，即用n×n的二维量子比特阵列，来实现一个逻辑量子比特。最小的1×1，就是没有纠错。3×3就是用9个物理量子比特，实现一个逻辑量子比特。5×5就是用25个物理量子比特，实现一个逻辑量子比特。以此类推。这里的n，称为码距。
Willow的实验结果是，码距为3的优于码距为1的，即无纠错；码距为5的优于码距为3的；码距为7的优于码距为5的。每次基本上错误率下降一半。目前的实验做到码距为7。打一生肖
相比之下，中国在纠错方面的成果是，两年前率先演示了码距为3的纠错实验，现在正在做码距为7的实验，预计数月内完成实验。
量子优越性跟量子纠错间的关系，可以说是前者是后者的基础。如果能实现纠错，那肯定就能实现量子优越性，因为纠错意味着对量子比特的操控已经达到了一个很高的水平。
谷歌在报道中列出了一个六步走的量子计算路线图：第一步是量子优越性，第二步是量子纠错，第三步是长寿命的逻辑量子比特，第四步是逻辑门，第五步是工程扩展，最后一步是实现大规模的、有纠错的量子计算机。2019年的“悬铃木”是实现了第一步，现在的Willow是实现了第二步。
Willow和“祖冲之三号”的成果表明，量子计算的发展虽然是路漫漫其修远兮，但又迈出了坚实的一步。
（作者系中国科学技术大学科技传播系副主任）
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