量子糾錯技術：突破量子電腦發展瓶頸的關鍵

量子電腦被視為未來科技發展的重要里程碑，其運算能力有望超越現今最強大的超級電腦。然而，量子位元（qubit）極高的錯誤率，卻成為這項技術發展的最大阻礙。科學家們正積極研發量子糾錯（QEC）技術，期望能解決這個關鍵問題。

與傳統電腦相比，量子電腦在處理某些複雜問題時具有壓倒性優勢。但現階段最先進的量子機器仍存在一個致命弱點——它們極容易出錯。量子位元的錯誤率約為千分之一，遠高於傳統電腦位元的兆分之一。這種先天的不穩定性，使得量子糾錯技術的研發顯得格外重要。

量子糾錯技術的核心概念，是透過冗餘編碼的方式來保護量子資訊。即使計算過程中出現部分錯誤，整體運算仍能繼續進行。愛丁堡大學創新研究員Joschka Roffe指出，這項技術的難度遠高於傳統系統的錯誤修正，因為量子力學的特殊性質使得問題更加複雜。

Google量子計算團隊在去年12月取得重大突破，他們推出的Willow量子處理器首次證實量子糾錯技術可以擴充套件到解決實際問題所需的大型裝置規模。Roffe認為這是一個里程碑式的成果，雖然距離實際應用還有很長的路要走，但這無疑是概念驗證的重要第一步。

量子電腦利用量子糾纏和疊加等奇特現象來高效編碼資料，並實現平行運算。理論上，增加量子位元數量可以讓處理能力呈指數級增長。但這些量子狀態極其脆弱，任何微小的環境幹擾都可能導致其崩潰。因此，量子電腦必須將量子位元與外界隔離，通常採用超低溫或真空環境，或是將資訊編碼到與環境互動作用微弱的光子中。

即便如此，錯誤仍難以避免。Roffe指出，Google最先進量子處理器中的邏輯操作失敗率高達百分之一。這意味著我們必須找到方法來彌補這個差距，才能真正實現量子電腦的潛在應用。

量子糾錯技術的靈感源自1940年代早期電腦的錯誤修正方法。當時的電腦遠比現在不可靠。雖然現代晶片已不再需要這種技術，但類似的方案仍廣泛應用於易受噪音影響的數位通訊系統中。

在量子世界中，傳統的重複編碼方法並不適用。由於量子態無法被複製（即「不可克隆定理」），研究人員必須設計更複雜的方案來實現冗餘。量子電腦的基本資訊單位是量子位元，可以編碼到超導電路、囚禁離子、中性原子和光子等物理系統中。這些「物理量子位元」雖然容易出錯，但可以透過量子糾纏現象將量子資訊分散到多個位元上。

IBM研究員Dominic Williamson解釋，檢測和修正錯誤的過程相當複雜，因為直接測量物理量子位元的狀態會導致其崩潰。解決方案是使用「資料量子位元」來編碼量子資訊，並透過「輔助量子位元」來檢測錯誤。每個輔助量子位元與一組資料量子位元互動作用，檢查它們值的總和是奇數還是偶數，而不直接測量個別狀態。

目前最廣泛研究的量子糾錯技術是「表面碼」，它將邏輯量子位元分散在二維網格中的資料量子位元上。這種方法特別適合Google和IBM開發的超導電路量子電腦。但Williamson指出，這種方法效率不高，每個邏輯量子位元可能需要約1000個物理量子位元。

這促使研究人員對低密度奇偶校驗碼（LDPC）產生濃厚興趣。這種技術依賴量子位元間的長程互動作用，可大幅減少所需量子位元數量。不過，實現量子位元間的長程連線在技術上仍具挑戰性。

Roffe強調，實現這些技術的前提是將單個量子位元的錯誤率降至關鍵閾值以下。Google的最新研究提供了令人信服的證據，證明這是可行的。他們使用105量子位元的Willow晶片進行實驗，證明每次增加量子位元數量時，錯誤率都能減半。

「我們希望最終能將錯誤率降低一兆倍，這還有很長的路要走。」Roffe表示，「但這項突破為更大規模的表面碼鋪平了道路，有望將錯誤率壓低到可以實際應用的程度。」