量子计算机将通过解锁一种新的计算范式来改变世界，它能赋予我们求解量子物理学基本方程、在分子尺度上准确模拟自然以及设计革命性新产品的能力。但是今天的量子计算机还无法实现这些，因为它们的基本组成部分——量子比特——非常容易出错。仅仅构建具有更多量子比特的量子计算机是不够的，解锁量子计算的全部应用，我们需要设计和实现能使量子机器可快速检测和纠正自身错误的系统。

量子比特的量子特性虽然赋予了量子计算机强大的能力，但其也有不利的一面，量子比特对来自其环境的干扰非常敏感。这种敏感性意味着量子比特会经常脱离我们在量子计算机上运行算法时需要构造的精确互联状态，这种现象称为退相干。我们想在量子比特上执行的每一个操作也都有可能引入错误，这最终意味着如果我们让错误累积，在计算机被错误淹没之前我们可以运行的程序的长度有一个硬上限。

由于当今的量子计算机中存在错误，这限制了它们在探索和发现方面的应用。如果你真的想为量子计算做一个商业案例，你必须突破量子纠错障碍。那么我们应该如何突破这个天花板，以释放量子计算的全部潜力呢？为了获得有用的量子计算机，我们需要显着降低对量子数据进行操作的错误率。随着物理学家和工程师在构建更稳定的量子比特方面开始做得更好，硬件改进将解决其中的一些差距，但仅凭这些不足以让我们可靠地运行具有数百万或数十亿次操作的算法。

幸运的是，我们可以比这些数字所暗示的能更快地获得有用的量子计算机，部分原因是量子信息理论家和计算机科学家已经在解决量子计算机中的系统错误方面有超过20年的研究。这方面的理论研究已经导致开发出了多种能执行量子纠错的方法，这些方法是通过在多个量子比特上冗余的编码信息来减轻错误。

打个比方，假设你的朋友们通过嘈杂的电话线让你确认下你的电话号码。你不想让他们听错，所以你会把每个数字重复三遍：你会说000777222等等，而不是07209这样的数字。然后，如果你的朋友听到001，他们可以相当肯定第一个数字应该是0。量子纠错以类似的方式工作，通过将信息分散到多个量子比特中以保护它。

然而，量子力学还有一些额外的“怪癖”会使事情变得更加困难。量子理论规定我们不能简单地复制一个量子比特的状态，我们也不能在不破坏其中存储的一些信息的情况下直接测量量子比特。在实践中，这些复杂性意味着我们需要使用额外的“校正子”(syndrome)量子比特，其功能只是间接测量存储信息的数据量子比特中发生的事情。

在二维量子比特阵列上进行错误校正时，数据量子比特上的错误会导致相邻的校正子量子比特亮起。然后，我们可以使用一种算法将点亮的校正子量子比特之间的点连接起来，以查明错误的来源。

量子纠错提供了一套强大的理论工具来理解和解决原则上的错误。但这只是在实践中处理错误的第一步。要构建出一种具有纠错功能的量子计算机，需要每秒对数千个互连的量子比特执行数百万次以上的纠错，这是量子计算机行业中面临的最大科学和技术挑战。这不仅仅是纠错理论的问题，还需要各学科领域的跨界顶尖人才的通力合作，才能有希望研发出通用容错的量子计算机（编译:Qtech）