谷歌量子计算突破：魔态培育技术降低Willow芯片错误率约40倍

当地时间10月15日，谷歌宣布其量子人工智能团队已通过实验证实、攻克了量子计算的一个核心瓶颈：在Willow量子芯片上成功验证了一项名为“魔态培育（Magic State Cultivation）”技术的实用可行性，与未采用该技术相比，将量子计算错误率降低了约40倍。相关研究成果已发表于《科学》期刊。

据介绍，要实现“通用量子计算”并运行实际程序，系统必须能够执行特定的量子操作集并完成量子纠错。这一目标可以通过预先制备所谓的“魔态（Magic States）”来实现；它们之所以得名“魔态”，正是因为能协助构建超越经典计算极限的核心操作。

但制备高质量且经过纠错的魔态极其消耗计算资源。据部分测算估算，一台量子计算机高达95%的全部算力容量可能都必须专门用于制备魔态，留给实际计算的资源所剩无几。更为棘手的是，魔态属于一次性消耗资源，使用后无法复用，这使其变得异常稀缺。

2024年，谷歌量子人工智能研究员Craig Gidney、Noah Shutty与Cody Jones借鉴学界文献构想并加以深化，开创了如今被称为“魔态培育”的新方法。

该方案展现出大幅降低资源开销的巨大潜力。其核心机制如同一个量子过滤器：先将一个带有噪声的量子态注入到量子芯片的微小区域中，随后执行一系列高度协同的测量，以检测系统错误并剔除有缺陷的尝试。Craig及其团队证明，借助这一过程可以“培育”出纯度极高、错误率极低的量子态，同时还能将其自适应适配至更大规模的可用量子编码中。

依托上述进展以及众多算法创新与工程优化，谷歌刷新了量子计量学的最高技术水平。在谷歌量子人工智能的Willow新品上，该协议使错误率相比未经培育的态显著降低了40倍，制备出的T态（T-state）逻辑保真度更是创下了99.99%的纪录。

谷歌表示，要让魔态培育真正服务于实用化量子计算，仍需在更大规模的体系上完成验证，仍有诸多工程与技术挑战待解。