量子计算逻辑比特构建进展与趋势

自2025年起，逻辑量子比特开始被各大量子计算公司纳入其技术路线图或者愿景当中。比如，IBM、Quantinuum和QuEra均在最新的技术路线图中明确了逻辑量子比特的规模目标。截止目前，Quantinuum是逻辑量子比特构建规模的记录保持者，其于2024年12月展示了50个纠缠逻辑量子比特的GHZ态，相较微软和Atom Computing早先创建的24个逻辑比特记录，数量又翻了一倍多，保真度超过98%。

一、什么是逻辑比特？

逻辑量子比特（Logical Qubit）就是一种利用多个物理量子比特来构建的、具有容错能力的计算单元。它将单个逻辑信息分散到多个物理量子比特上，从而能够检测并纠正错误。总的来说，量子计算逻辑比特是量子算法在逻辑层面执行操作的抽象计算单元。由于逻辑比特具有容错计算能力，它是量子计算从实验阶段走向实用阶段的关键，有了容错的逻辑量子比特，才有可能构建出包含大量逻辑量子比特的、能够运行大规模量子算法的通用量子计算机。

二、逻辑比特与物理比特的区别

量子计算的物理比特（Physical Qubit）是实现计算的基本单元，比如超导量子比特、光量子比特、离子阱量子比特、中性原子量子比特和拓扑量子比特。物理比特是真实的、容易受噪声影响的量子系统，它的特点在于：

1、容易受噪声干扰:物理量子比特的量子态非常脆弱，很容易受到环境噪声的干扰而发生退相干，导致计算错误。

2、不可复制:根据量子力学中的不可克隆原理，无法对物理比特进行完美复制来检测错误，这使得传统计算机的纠错方法失效。

3、易出错:测量会导致物理比特的波函数塌缩（或称为退相干效应），进一步增加了计算的复杂性和不确定性。

基于上述困难，量子纠错的发展过程中，甚至出现越纠越错的情况。不过，科学家们在多年的研究和探索中，也找到一些办法来克服量子纠错的困难。即“增加冗余的量子比特数”，用多个物理量子比特，对应1个逻辑量子比特。

因此，逻辑比特是一个抽象的、通过量子纠错技术构建的计算单元，是一组协同工作以“模拟”算法所需的容错量子比特的物理量子比特集合。通过使用多个物理比特来冗余编码一个逻辑比特，当其中一些物理比特出现错误时，可以通过对其他物理比特进行测量来检测和纠正错误，从而保护逻辑比特的正确状态。

逻辑比特的优势在于：

1、提高容错性:通过冗余和纠错，逻辑比特可以有效抵抗物理比特的噪声和错误，提高计算的可靠性。

2、支持大规模计算:逻辑比特是实现大规模量子计算的关键，它为构建能够长时间运行、复杂计算的量子计算机提供了基础。

三、逻辑比特的进展

综上所述，我们在判定量子计算机的能力时，不能仅仅看它的量子比特数，要看它的“逻辑量子比特数”。

尽管当前物理比特最高可以做到1000以上规模，比如我国潘建伟院士团队正在研制的“九章四号”光量子计算机，其物理比特达到3050个，刷新了现有量子计算机的物理比特最高纪录。此外，美国中性原子量子计算机制造商Atom computing在2023年底推出的AC1000量子计算机拥有1200个物理比特规模。然而，当前量子计算机的逻辑量子比特数规模还未过百。

四、Quantinuum的50个逻辑比特构建

Quantinuum展示的50个纠缠逻辑量子比特的GHZ态，GHZ态是多粒子的最大纠缠态，也就是有两个以上的量子比特相互纠缠，处于GHZ态的所有量子比特会一同发生变化，在理想的GHZ态中，每个量子比特都处于“0”态和“1”态的叠加态，当进行测量时，所有量子比特会一同坍缩到“0”态或者“1”态。

Quantinuum利用他们的56个量子物理比特的H2-1处理器，借助[[52,50,2]]错误检测码创建出了一个50个量子比特的GHZ态。此代码利用52个物理量子比特创建出50个逻辑量子比特，码字之间的码距为2。需要注意的是，这个代码仅具备检测错误的能力，无法实时纠正错误。不过，一旦检测到错误，量子处理器可以重复操作，直至检测不到错误为止。

图1展示了Quantinuum的实验结果，图表中间的柱状图体现了一些误差情况。倘若没有错误，所有量子比特的测量结果会在50%的情况下处于最左边的柱状条（表示为0000……），另外50%的情况下，所有量子比特的测量结果会处于最右边的柱状条（表示为1111……）。由图可知，橙色柱状条展示了未使用错误检测码时的结果，而蓝色柱状条展示了使用该错误检测码时的结果。因此，正如所期望的那样，启用错误检测码时确实呈现出了更优的结果。

图1.50个纠缠逻辑量子比特实验结果

数据来源：Quantinuum

Quantinuum展示的纠缠态的保真度处于98.09%至99.06%之间，对于逻辑量子比特达到如此规模的情况而言，这一点尤其值得关注。逻辑量子比特能在物理层纠正错误，使我们在更大规模的系统中能够进行更可靠的操作。

四、逻辑比特构建未来趋势

与量子逻辑比特相关的论文和专利也在近几年激增。自2018年左右起，相关论文数量开始显著增长，并在2024年达到高点。相关专利数量也从2019年左右开始显著增长，并在2023-2024年达到高点。

图2. 量子逻辑比特相关的研究论文（2015-2024）

数据来源：Quantum Insider情报平台

图3. 量子逻辑比特相关的专利（2015-2024）

数据来源：Quantum Insider情报平台

自2025年起，量子逻辑比特开始被各大量子计算公司纳入其技术路线图或者愿景当中。表1展示了各大量子计算公司设定的同时包含逻辑和物理量子比特数量的示例里程碑。选取了最远期的里程碑以展示该技术的成熟状态。

表1.量子计算公司设定的包含逻辑和物理量子比特数量的里程碑

可见，2030年是实现约100个逻辑量子比特的里程碑年份，无论其采用何种量子比特模态。

不过，为了破解N位加密的RSA，一些实现表明需要约~2N个逻辑量子比特。对于RSA-2048，这意味着需要约4000个逻辑量子比特，这使得2030年的里程碑目标仍有相当距离。

参考文献：

1、Quantum Insider.Rise of the Logical Qubit[EB/OL]. (2025-03-28)[2025-09-19].https://thequantuminsider.com/2025/03/29/rise-of-the-logical-qubit/. 

2、光子盒研究院.21天内两次刷新纪录！Quantinuum赶超微软，最大纠缠逻辑量子比特数量再翻一倍！[EB/OL].(2024-12-16)[2025-09-19].https://mp.weixin.qq.com/s/IDq7YnvVMouRNuth1rNz-g.

3、搜狐视频.首次达到3050个光子的“九章四号”保持国际领先，向实际应用转换[EB/OL]. (2025-06-26)[2025-09-19].https://m.sohu.com/a/908077990_99900743/?pvid=000115_3w_a. 

4、Quantinuum. Advancements in Logical Quantum Computation: Demonstrations and Results[EB/OL]. (2024-12-10)[2025-09-19].https://www.quantinuum.com/blog/q2b-2024-advancements-in-logical-quantum-computation. 

5、万维读者网.浅谈量子计算机——量子纠错.[EB/OL].(2024-12-20)[2025-09-19].https://blog.creaders.net/u/5477/202402/482586.html.