即有史以来首次通过增加量子比特来降低计算错误率！
官方博客称，量子纠错（QEC）通过多个物理量子比特，即「逻辑量子比特」，对信息进行编码。这一方法被认为是大型量子计算机降低错误率来进行计算的唯一方法。最新研究成果已发表在Nature期刊上。
物理量子比特到逻辑量子比特
为什么要纠错呢？需要明确的是，所有计算机都会出错。要想量子计算机能够处理普通计算机无法解决的问题，比如将大整数分解为素数，纠错是不可避免的。对于普通计算机来讲，其芯片以位（可以表示0或1）的形式存储信息，并将一些信息复制到冗余的纠错位中。当发生错误时，芯片可以自动发现问题并进行修复。然而，在量子计算中，却无法做到这一点。量子比特是量子信息的基本单位，量子比特是0和1的量子叠加。如果一个量子比特的完整量子态不可挽回地丢失，则无法读出信息，也就意味着它的信息不能简单地复制到冗余量子比特上。现在，谷歌量子团队找到了一种全新的量子纠错方案：
即通过在一组物理量子，而不是单个量子中编码信息的量子比特，称为「逻辑量子比特」。量子计算机可以使用一些物理量子比特来检查逻辑量子比特的状况并纠正错误。物理量子比特越多，就越能降低错误发生率。
表面码逻辑量子比特纠错
首先，表面码必须能够纠正不只是位翻转（从0到1个取一个量子比特），而且相位翻转。这个错误是量子态所独有的，并将量子比特转换为叠加态，例如从0+1到0-1。其次，检查量子比特的状态会破坏其叠加态，因此需要一种无需直接测量状态即可检测错误的方法。为了突破这些限制，我们在棋盘上排列了2种类型的量子比特。顶点上的「数据」量子比特构成逻辑量子比特，而每个正方形中心的「测量」量子比特用于所谓的稳定器测量。这些测量结果告诉我们这些量子比特是否完全相同/不同，表明发生了错误，但实际上并没有揭示各个数据量子比特的值。
通过棋盘模式平铺两种类型的稳定器测量，以保护逻辑数据免受位翻转和相位翻转的影响。如果一些稳定器测量值记录了错误，则使用稳定器测量值中的相关性来识别发生了哪些错误以及发生在何处。就比如上面例子中Bob给Alice的消息随着编码大小的增加而变得更加强大，一个更大的表面码可以更好地保护它所包含的逻辑信息。表面码可以承受一定数量的位和相位翻转误差，每个误差小于距离的一半，其中距离是在任一维度上跨越表面代码的数据量子比特数。问题是每个物理量子比特都容易出错，所以编码中的量子比特越多，出错的几率就会越大。为此，物理量子比特的误差必须低于所谓的「容错阈值」。对于表面码来说，这个阈值是相当低的。最新实验便证明了这一点。实验运行在谷歌最先进的第三代Sycamore处理器架构，为QEC进行了优化，使用了全面改进的表面码。为此，研究人员对其量子计算机的所有部件进行了7大改进，包括量子比特的质量、控制软件，再到用于将计算机冷却到接近绝对零度的低温设备。
研究人员通过实验来比较基于17个物理量子比特distance-3表面码(ε3)和基于49个物理量子比特distance-5表面码(ε5)的逻辑错误率之间的比率。
实验结果如上图右所示，较大表面码展现出能够实现更好的逻辑量子比特性能(每周期2.914%逻辑错误)，优于较小的表面码(每周期3.028%逻辑错误)。谷歌称，虽然这可能看起来是一个小的改进，但是不得不强调这一结果是自Peter Shor的1995年QEC提案以来该领域的首创。较大编码优于较小编码是QEC的关键特征，所有量子计算架构都需要跨过这一障碍，才能降低量子应用的低错误率。未来之路
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