可靠量子計算已經到來？最近，微軟量子團隊在 arXiv 連續發表兩篇論文，稱其所研發的 4D 幾何編碼方法僅需極少的物理量子位元就能一次性完成錯誤檢測，同時能將量子系統錯誤率降低至原數值的 1/1000，並表示憑藉此他們已經破解了量子計算機糾錯背後的難題。
即使是高質量的物理量子位元也需要糾錯來建立和糾纏邏輯量子位元，以便能夠實現可靠的量子計算。為此，該團隊開發了一系列 4D 幾何編碼，這些編碼可以將物理量子位元的錯誤率降低幾個數量級，使其達到量子電路可靠執行所需的水平。同時，這些編碼可在微軟量子計算平臺上使用，適用於具有全互連特性的量子位元，比如中性原子、離子阱和光子學。
圖 | 4D 幾何編碼方案可以透過構建 4D 拓撲結構來實現錯誤檢測（來源：微軟）
對於 4D 幾何編碼來說：首先，它可以讓構建邏輯量子位元所需的物理量子位元數量減少五分之四。其次，它具備高效的邏輯運算能力，擁有單次操作特性，可以快速實現錯誤校正。再次，它能夠提高量子硬體的效能，將物理錯誤率從 10⁻³（千分之一）降低到約 10⁻⁶（百萬分之一）。
憑藉這些特性，這一系列編碼方案展現出多重優勢。其能讓糾錯診斷步驟得到大幅簡化，從而實現低深度量子操作與運算。此外，這些編碼減少了實現容錯量子計算所需的物理量子位元數量，加快了邁向實用規模的程序。據瞭解，這一系列編碼是微軟量子計算平臺可用的眾多編碼之一，該團隊為其配備了一套完整的高效操作，使得任何量子演算法的編譯都成為可能。未來，當把這些編碼整合到微軟量子團隊的全棧系統中，有望在短期內實現 50 個邏輯量子位元的建立和糾纏，同時也有潛力擴充套件至數千個邏輯量子位元。
圖 | 透過在計算過程中檢測和糾正錯誤，微軟量子計算平臺利用高質量的物理量子位元建立邏輯量子位元，以實現可靠的量子計算（來源：微軟）
將量子處理表面的拓撲結構對映到 4D 晶格
眾所周知，所有計算機都可能產生錯誤。當今大多數量子計算機所使用的量子位元非常容易出錯，因此自身無法進行可靠的計算。要實現量子計算機解決複雜問題的潛力，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位元；二是應用能夠建立可靠邏輯量子位元的糾錯碼，這些邏輯量子位元的錯誤率要顯著低於相應物理量子位元的錯誤率。
在經典計算中，糾錯是透過複製每一位元傳輸的資訊來實現的。如果其中一個或多個位元丟失或損壞，剩餘的位元仍能保留原始資訊。然而，量子位元無法被複制。對它們進行測量時，還會發生所謂的“坍縮”現象。這使得在錯誤發生時（量子位元發生錯誤的機率遠高於經典位元）檢測並糾正錯誤變得困難得多。
典型的量子糾錯設定需要向系統中新增額外的物理量子位元，這些量子位元會與通常承載量子資訊的邏輯量子位元產生糾纏，這讓人們無需測量邏輯量子位元（以免導致其坍縮），而是可以透過測量與之糾纏的物理量子位元來檢測錯誤，從而使計算過程得以繼續。
本次微軟量子團隊在量子糾錯過程中採用的 4D 編碼技術，其核心在於將量子處理表面的拓撲結構對映到 4D 晶格上，利用這種方法能夠構建出具有自校正特性的量子儲存器。
多數現有的糾錯技術要麼難以擴充套件，要麼消耗過高，要麼兩者兼而有之。量子系統實現容錯所需的物理量子位元數量越多，且所需的糾錯次數越多，計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勢：一是每個邏輯量子位元所需物理量子位元數量極少，二是支援單次測量完成錯誤檢測，三是能將錯誤率降低三個數量級。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裡，該團隊表示，這一成果的核心創新在於對環面結構 4D 幾何糾錯編碼進行了物理形態的螺旋扭曲。4D 幾何編碼方案可以在系統中構建 4D 拓撲結構以實現錯誤檢測，透過量子糾纏將取樣空間與操作空間建立關聯。其中，取樣空間是執行糾錯編碼的區域，操作空間是儲存量子位元資訊的區域。這一編碼技術透過數學表示式在 4D 空間中運作，其核心原理是讓糾纏點能夠在“環面”（可類比為甜甜圈形狀的拓撲結構）表面建立連線。
雖然在過去 4D 編碼已被用於建立自校正量子儲存器，但此次應用更加具有創新性，因為該團隊算出了幾何結構上的一個“扭曲”，該扭曲使得相同數量的編碼能夠使用更少的物理量子位元糾纏來覆蓋相同的系統空間。透過扭曲幾何結構，4D 編碼疊加層會建立一個更大的表徵空間，該空間能反映所使用的實際量子位元的更多量子態。這樣一來，就可以在不干擾系統內實際發生的量子過程的情況下，檢測編碼中的錯誤。
總的來說，4D 編碼旨在藉助適量的物理量子位元，高效地實現邏輯量子位元數量的不斷增加，同時支援低深度邏輯迴圈與通用容錯，因此未來通用容錯量子計算機或許可以透過 4D 幾何編碼實現。與此同時，微軟量子團隊在量子計算機上運行了扭曲編碼，並表示已經透過實驗驗證了本次理論。
此外，該團隊還驗證了另一項新技術：在量子位元原子丟失時實現原子替換。在特定量子計算系統中，量子位元的製備需透過雷射鑷子俘獲中性原子並將其固定在晶格位點。而在運算過程中，這些原子可能發生逃逸或位點丟失現象，而該團隊首次實現了運算週期內的原子替換，透過原子束將新原子注入陣列，且全程不影響計算程序。值得注意的是，這篇論文的作者達到幾十位之多。
圖 | 相關論文（來源：arXiv）
微軟量子團隊已與美國量子初創 Atom Computing 聯合探索應用場景
此前，微軟量子團隊透過將其量子位元虛擬化系統應用於美國量子初創公司 Atom Computing 的中性原子，建立並糾纏了 24 個可靠的邏輯量子位元。相較於其他一些量子位元技術，Atom Computing 的中性原子量子位元具有多項優勢，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充套件性。此外，這些量子位元可以靈活移動，從而能與其他原子實現相互作用。同時，它們對噪聲的抗干擾性強，並且具備量子糾錯所需的高保真度。
自微軟量子團隊上次宣佈與 Atom Computing 開展合作以來，後者已在其硬體平臺上實現了量子位元的中途測量效能提升，併成功演示了量子位元重置與複用功能。這項技術允許在測量一部分量子位元的同時保留已測量和未測量的量子位元，它改進了錯誤糾正能力，提高了可執行量子計算的複雜度，併為容錯量子計算鋪平了道路。另據悉，Atom Computing 中性原子的雙量子位元門保真度為 99.6%，截至目前這仍然是商業系統中中性原子量子位元的最高保真度。
據介紹，Atom Computing 的中性原子量子位元憑藉高保真度、全互聯架構和長相干時間三大核心優勢，與微軟量子計算平臺能夠形成技術互補，以便高效地構建邏輯量子位元體系。據瞭解，美國麻省理工學院本科校友、美國科羅拉多大學博爾德分校博士畢業生本·布魯姆（Ben Bloom）是 Atom Computing 的創始人兼 CEO，他領導著該公司在邏輯量子位元、容錯量子計算和中性原子系統領域的開發工作。此前，本·布魯姆曾致力於各種量子技術研究，在意識到中性原子系統為大規模量子計算提供了最佳路徑後，他於 2018 年創立了 Atom Computing，並獲得了和微軟量子團隊開展合作的機會。
圖 | Atom Computing 的通用門控平臺（來源：https://atom-computing.com/quantum-computing-technology/）
目前，微軟量子團隊的成果正處於可靠量子計算的早期階段。隨著更多人採用協同設計方法來探索量子架構、演算法和應用之間的相互作用，預計實際應用將開始逐步顯現。據介紹，量子計算最具突破性的應用場景，很可能出現在利用量子技術改進和加速其他技術的領域，比如高效能計算和人工智慧。眼下，微軟量子團隊正在透過將量子硬體與量子計算平臺加以深度耦合，持續推動量子優勢能力的突破。同時，這一系列新技術是自下而上構建的，其容錯方案不僅適用於已經得到測試的硬體平臺和應用場景，也具備跨平臺的擴充套件潛力。
參考資料：
https://arxiv.org/abs/2506.15130
https://arxiv.org/abs/2506.09936
https://atom-computing.com/wp-content/uploads/2025/01/Atom-Computing-Whitepaper-2025.pdf
https://atom-computing.com/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
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