今天凌晨4點30，微軟首席執行官SatyaNadella分享了，微軟在量子計算的重大技術突破成果4D拓撲量子糾錯碼。

與2D相比，4D拓撲量子糾錯碼在編碼效率、糾錯能力、邏輯操作都非常出色，并且每個邏輯量子比特只需要極少的物理量子比特，可以一次性檢查錯誤，并將錯誤率降低1000倍。

同時，這項全新的量子計算成果將應用在微軟的Azure Quantum量子計算平臺中，加速科研、醫療的研發效率。

網友表示，這標志著一項重大進展，量子糾錯長期以來一直是實現穩定、可擴展量子計算的主要瓶頸。

俺什么都不懂，但我相信你。

祝賀微軟和Satya Nadella！這一成果展現了非凡的效率，彰顯了在推進實用規模量子技術領域的領導地位。

4D拓撲量子糾錯碼技術亮點

目前，多數量子計算機所使用的量子比特容易出錯，無法獨立完成可靠計算。要實現量子計算機解決復雜問題的潛力，需滿足兩個前提條件：一是使用高保真度的物理量子比特，二是應用能顯著降低錯誤率以創建可靠邏輯量子比特的糾錯碼。

簡單來說，物理量子比特像建房子的磚塊，高保真度的是優質磚，才能搭穩房子。糾錯碼是施工圖紙和質檢員，既指導磚塊正確堆砌，又隨時檢查修正歪斜、裂縫等問題，才能建造安全、高質量的房子。這樣大家應該知道這個糾錯能力的重要性了吧。

微軟通過與多家硬件合作伙伴的協作，在量子糾錯方面展現出先進能力，其量子比特虛擬化系統作為微軟量子計算平臺的核心組件，可利用高質量物理量子比特創建并糾纏出可靠的邏輯量子比特。

此前，微軟團隊將該系統應用于Atom Computing的中性原子，成功創建并糾纏了24個可靠的邏輯量子比特，還在計算過程中展示了檢測和糾正錯誤以及處理量子比特丟失的能力；另一團隊也創建了28個邏輯量子比特，能在執行可靠計算的同時檢測和糾正錯誤。

由于如今的量子比特本質上存在噪聲，所以通過量子糾錯碼將量子信息編碼到更大的量子比特集合中，可使量子機器具備抗錯能力。

在此基礎之上，微軟開發的新型4D拓撲量子糾錯碼適用于中性原子、離子阱和光子學等具有全連接特性的量子比特，能將物理量子比特的錯誤率降低多個數量級，以滿足量子電路可靠運行的要求。

4D拓撲量子糾錯碼具有諸多優勢：在構建每個邏輯量子比特時所需的物理量子比特數量極少，通過在4D空間中對碼進行旋轉，使構建邏輯量子比特所需的物理量子比特數量減少了5倍；

具備高效的邏輯操作，性能出色且具有單次測量特性，可快速糾正錯誤；能顯著提升量子硬件性能，若將物理錯誤率從10?3降至約10??，錯誤率可降低1000倍。

并且該系列碼配備了一套完整的高效操作，可實現任何量子算法的編譯，將其融入微軟的全棧技術中，有望在短期內創建和糾纏50個邏輯量子比特，未來更有擴展到數千個邏輯量子比特的潛力。

4D拓撲量子糾錯碼架構簡單介紹

4D拓撲量子糾錯碼的核心思想是利用4D空間的獨特幾何結構來增強量子糾錯碼的性能。在傳統的二維拓撲量子糾錯碼中，量子比特被排列在一個二維平面上，而4D拓撲量子糾錯碼則將量子比特擴展到一個4D的超立方體結構中。這種高維的幾何布局不僅為量子比特提供了更多的連接方式，還通過拓撲保護機制顯著提高了量子信息的抗噪聲能力。

在4D空間中，量子比特被放置在超立方體的各個面上，而穩定化子則定義在超立方體的邊和立方體上。這種布局方式使得量子糾錯碼能夠利用4D空間的冗余性來檢測和糾正錯誤。

4D超立方體的每個面都對應一個量子比特，而邊和立方體則分別用于定義X型和Z型穩定化子。這種幾何結構不僅為量子比特提供了更多的保護層，還使得錯誤能夠在單次測量中被檢測和糾正，從而實現了單次測量糾錯的特性。

單次測量糾錯是4D拓撲量子糾錯碼的一項重要特性，它允許在單次測量過程中完成錯誤檢測和糾正。這一特性對于減少量子計算中的錯誤累積和提高計算效率具有重要意義。

在傳統的量子糾錯碼中，錯誤檢測通常需要多次測量，這不僅增加了計算的復雜性，還可能導致錯誤的進一步累積。

而4D拓撲量子糾錯碼通過其獨特的幾何結構和拓撲保護機制，能夠在單次測量中完成錯誤的檢測和糾正，大大提高了糾錯效率。

單次測量糾錯的實現基于4D超立方體的邊界冗余。在4D超立方體中，每個頂點和超立方體都提供了額外的冗余信息，這些信息可以用來檢測和糾正錯誤。

通過測量超立方體的邊和立方體上的穩定化子，可以快速確定是否存在錯誤以及錯誤的位置。一旦檢測到錯誤，糾錯算法可以立即采取措施糾正錯誤，從而避免了多次測量帶來的復雜性和潛在的錯誤累積。

4D拓撲量子糾錯碼的幾何結構和穩定化子的設計是其實現高效糾錯和邏輯操作的關鍵。在4D超立方體中，量子比特被放置在各個面上，而穩定化子則定義在邊和立方體上。這種布局方式不僅為量子比特提供了更多的保護層，還使得錯誤能夠在單次測量中被檢測和糾正。

穩定化子的設計是4D拓撲量子糾錯碼的核心。穩定化子是一組與量子糾錯碼的碼空間對易的算符，它們的測量結果可以用來檢測錯誤。

在4D拓撲量子糾錯碼中，穩定化子被設計為權重為6的算符，這意味著每個穩定化子涉及6個量子比特。這種高權重的穩定化子設計使得量子糾錯碼能夠檢測和糾正更多的錯誤類型，從而提高了糾錯能力。

此外，4D拓撲量子糾錯碼還通過幾何結構的變化來進一步優化性能。例如，通過旋轉標準的4D晶格，可以減少所需的物理量子比特數量，同時保持碼距不變。這種幾何增強技術不僅提高了編碼效率，還為實現單次測量糾錯提供了可能。

4D拓撲量子糾錯碼比2D好在哪

從編碼效率來看，2D拓撲量子糾錯碼通常需要大量的物理量子比特來編碼少量的邏輯量子比特。例如，對于一個碼距為d的2D表面碼，需要d2個物理量子比特來編碼2個邏輯量子比特。這意味著隨著碼距的增加，所需的物理量子比特數量呈平方級增長，極大地限制了量子計算的可擴展性。

相比之下，4D拓撲量子糾錯碼通過利用4D空間的幾何特性，能夠在相同的邏輯比特數量下顯著減少所需的物理量子比特數量。

以4D環面碼為例，其編碼率為6d2個物理量子比特編碼6個邏輯量子比特，且在某些優化的晶格結構下，還可以進一步減少物理量子比特的需求。這種高效的編碼方式使得4D拓撲量子糾錯碼在資源利用上更具優勢，尤其是在物理量子比特數量有限的近期內量子硬件中，能夠實現更多的邏輯量子比特，從而提升量子計算的能力。

在糾錯能力方面，2D拓撲碼雖然具有較高的容錯閾值，但它們通常需要多次測量來檢測和糾正錯誤，這不僅增加了糾錯的復雜性，還可能導致錯誤的進一步累積。

而4D拓撲量子糾錯碼由于其獨特的幾何結構，具備單次測量糾錯的特性。這意味著在單次測量過程中，就可以完成錯誤的檢測和糾正，大大提高了糾錯的效率和可靠性。4D拓撲量子糾錯碼在面對復雜的錯誤模式時，也展現出了更強的糾錯能力。

此外，從資源需求的角度來看，4D拓撲量子糾錯碼在實現相同糾錯能力和邏輯操作功能的情況下，所需的物理量子比特數量顯著減少。這對于當前和近期的量子硬件來說是一個巨大的優勢，因為目前的量子硬件平臺在物理量子比特的數量和質量上仍然存在限制。

通過減少物理量子比特的需求，4D拓撲量子糾錯碼不僅能夠降低量子計算系統的硬件成本，還能夠提高系統的可靠性和穩定性。此外，4D拓撲量子糾錯碼在實現邏輯操作時所需的輔助資源也相對較少，這進一步降低了量子計算的資源開銷，使得量子計算在實際應用中更具可行性。