操纵超导芯片上的量子态，使其在低温冰箱底部冷却到略高于绝对零度的温度非常具有挑战性。而且并非一切都总是能按计划进行，而是会发生很多错误。需要复杂的策略来从如此多的随机输出比特中提取可靠的计算。只有在错误减少的情况下，才有可能成功。
今天，Google Quantum AI 宣布构建出了错误较少的量子芯片。该芯片利用表面码，这种纠错码本质上是近邻耦合物理量子比特的方形补丁，这些补丁共同形成一个更可靠的逻辑量子比特。随着方形补丁逐渐变大，逻辑量子比特应该会变得更加可靠，这正是我们所展示的：包含逻辑量子比特的芯片随着补丁大小的增加而变得更加可靠。
但为什么必须纠错？什么是量子错误？如何纠正量子错误？
我们将在这里简要回答这些问题。如果您想要更详细的信息，可以直接访问 Coursera 上免费提供的量子纠错实操课程，在那里您可以找到一系列视频和练习来加深您的理解。Coursera 首席内容官 Marni Baker Stein 表示：“这门新课程为了解一个复杂的领域铺平了道路，使量子纠错不仅不再神秘，而且让全球数百万学习者摸到量子纠错的门路。我们与 Google Quantum AI 等行业先锋的合作标志着进一步迈向用知识解锁量子计算力量的未来。”
让我们从经典错误开始了解。如果有一个比特。假设它应该是 0。但是宇宙射线照射到它，它变成了 1。这是一个比特翻转错误，是经典计算机中的唯一错误类型。相比之下，量子芯片并非由比特组成，而是由多级量子系统组成，这些量子系统温度非常低，它们具有明确定义的离散基态和激发态。我们将这些状态写为 |0>、|1>、>|2 等。当宇宙射线照射到应该为 |0 的量子比特时>，它可以产生许多状态的叠加：a|0> + b|1> + c|2> + ...。设备经仔细设计后已经使量子比特能够抵御除能量最大的影响以外的所有影响，使我们能够计算结果，并在量子比特被宇宙射线照射时直接丢弃输出。
在计算时，我们努力只使用状态 | 0> 和 | 1>，但控制和测量误差不可避免地导致偶尔出现 | 2 +> 状态，这称为泄漏错误。重置量子比特可以消除此错误，但也会消除该量子比特上的所有数据，因此我们有一个特殊的门，可以将更高的状态从数据量子比特移动到即将重置的量子比特上。这可以防止 | 2 +> 状态在计算机中累积。
还有一个问题是，量子数据不喜欢停留很长时间。量子比特喜欢放松。如果您使用激发态来表示 |1> ，则在短时间后，它将放松到 |0>。我们还希望能够存储像 |0> + b|1> 这样的叠加态，并且“加号”可以自发地变成“减号”或相位翻转错误。量子比特丢失数据的各种方式统称为“退相干”。一般来说，退相干可以产生与我们想要的完全不同的状态，但幸运的是，这种差异可以分解为比特翻转和相位翻转的混合。为简洁表示，我们称之为 X 和 Z 错误。
我们先来看一下量子芯片的图片。
这是一个仅与最近邻交互的 2D 量子比特阵列。数据量子比特存储了宝贵的量子态。测量量子比特用于检测 X 和 Z 错误。为便于理解这一点，请想象每个浅蓝色区域在其接触的数据量子比特上检测 Z 错误，每个深蓝色区域检测 X 错误。数据量子比特上的 Z 错误激活相邻的浅蓝色区域，这定位了 Z 错误并让我们能在软件中补偿因其存在带来的影响。如果 X 和 Z 错误的密度足够低，被点亮区域的模式将为我们提供清晰的信息，使我们能够找到并补偿这些错误的影响。
如果测量量子比特出现错误，则可能会呈现错误激活的区域。为了解决这个问题，需尽可能频繁地重复搜索错误，这样下次执行检查时，很有可能会解决这些错误。这会为测量错误创建一个可识别的签名，使这些错误也可以在软件中处理。这是一个尚在研究中的领域，旨在设计更复杂的算法来处理测量量子比特的输出，从而更好地识别错误的位置和类型，同时与量子计算机保持同步。
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