“量子”量子计算领域迎突破性进展：中国科学家实现量子纠错优势，向实用化可扩展通用量子计算迈出关键一步

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来源：DeepTech深科技

“在俞大鹏院士带领下，我们在国际上首次利用离散变量编码的逻辑量子比特，延长量子信息的存储时间突破了盈亏平衡点。这项里程碑式的成果标志着我们从含噪声的量子时代步入了纠错量子时代。”南方科技大学量子科学与工程研究院助理研究员徐源说。

什么是量子纠错呢？与经典计算机一样，量子计算机也会出错。一旦量子计算机在运行过程中出现错误，就必须及时地检测到导致错误的具体原因，并及时修复它。

经典数字电子计算机的错误率非常低，可通过将信息复制多份重复测量的方式来检测，并修复错误。而量子计算机不仅具有远高于数字电子计算机的错误率、极易发生错误，并且由于量子不可克隆原理的限制，其无法通过简单备份的方式检查和修正错误。

这导致量子计算机的纠错过程异常困难。然而，无法纠错的量子计算机运行结果是不可信的，也无法真正解决任何有实际应用价值的问题。因此，量子纠错是真正实现通用量子计算的“必经之路”。

但是，在之前基于离散变量编码的逻辑量子比特的量子纠错演示实验中，从未实现延长量子信息的存储寿命超过盈亏平衡点。

南方科技大学博士生倪忠初为该论文第一作者，南方科技大学量子科学与工程研究院徐源助理研究员为论文主要通讯作者，清华大学孙麓岩教授、福州大学郑仕标教授为论文的共同通讯作者，南方科技大学俞大鹏院士为文章的最后通讯作者。

在国际上首次突破盈亏平衡点

实际上，早在 20 世纪末，已经有科学家提出了量子纠错的理论想法。但是，受限于当时的技术水平，根本无法对想法的可靠性进行验证。

近些年，随着量子系统的相干寿命和操控能力的显著提升，人们逐渐意识到在实验上实现量子纠错方案的可行性。因此，量子纠错逐步发展成为当前学术圈非常热门的研究领域之一。

值得关注的是，量子纠错技术要想能够有实际应用，就必须要能够实现正的增益。也就是说，量子纠错对逻辑错误的抑制效果，要远大于纠错过程本身额外引入的错误。只有这样，才能够实现将量子信息的存储时间延长，打破这个系统在不纠错条件下的最好值，即超越盈亏平衡点。

目前，有两类主流的量子纠错编码方案，分别是多比特编码和玻色编码。但是这些方案或是需要巨大的硬件资源开销，或是逻辑码字有缺陷（非严格正交），亦或是无法突破盈亏平衡点。因此，想要在实验上同时解决这些问题，仍然充满巨大的挑战。

量子纠错的概念到底靠谱不靠谱？人们到底能不能利用量子纠错的方法产生正的增益？如果一直无法突破，人们自然会怀疑量子纠错方法是否真的有效，进而也会质疑量子计算机是否能够实现。

该研究针对玻色模式中的二项式编码实现了严格正交的逻辑码字，提出并实现了原创的错误探测技术，和一系列量子纠错优化手段，为“量子纠错方法是否真的有效”提供了肯定答案。他们的实验结果明确指出，量子纠错可以延长量子信息存储时间超越盈亏平衡点，这为实现量子计算机奠定了非常重要的一步。

“我们站在前人的肩膀上，整合和改进了多个量子纠错的关键技术，使我们比别人更往前进了一步，实现了延长量子信息的存储时间突破盈亏平衡点 16%，充分地展示了量子纠错优势。”倪忠初说。

像“挤海绵”一样逐渐缩小误差

徐源在清华大学读博期间开展了基于超导量子线路系统的量子计算研究，参与了量子纠错的相关研究[2]，并实现了错误透明的逻辑相位门操作[3]，为该项研究奠定了良好的研究基础。

但之前开展的量子纠错的相关研究，始终“卡”在无法超过盈亏平衡点。因此，他下决心一定要搞清楚可实现超过盈亏平衡点的途径。并提出一个长期的思考问题，如何改进和优化量子纠错技术，来极大地提高量子纠错的效果？

带着前期的技术积累和思考，2019 年，彼时刚刚博士毕业的徐源加入南科大工作并开启了这项研究。“我当时刚来到深圳，一切从零开始，自己亲自带学生搭建实验平台、调试仪器、采集数据等。从一无所有到实验平台初步搭建、测控系统调试走上正轨、量子纠错方案设计并不断优化，共花了一到两年的时间。”他回忆道。

据悉，该团队最早优化逻辑比特的错误探测手段上花费了很多时间，其中包括早期的仿真验证以及后续的实验波形优化。而他们的解决方法是多尝试，多讨论，不断试错。

在实验的最后阶段，在优化量子纠错过程时，课题组成员遇到了实验结果一直提不上去的困扰。“我们不断地像挤海绵一样，一点点地减小各个方面的误差，把实验结果往上提。研究过程中，比较意外的是，我们原创的错误探测方法能运用于更多的场景，远超我们最开始的预想。在此基础上，我们可以开展进一步的纠错实验研究。”倪忠初说。

接下来，该课题组将更进一步探索提高量子纠错效果，进一步延长量子信息存储时间，以及利用量子纠错优势开发新的逻辑量子控制技术。

谈及领域内下一个可能的“里程碑”进展，徐源表示：“下一个里程碑可能是利用量子纠错技术，实现高精度的逻辑量子比特操控，其操控错误率远低于物理比特的操控错误率。我认为，这一里程碑将解决实现通用容错量子计算机的下一个关键科学难题。”

走向纠错量子时代

与以往投稿过程的反复修改不同，该论文的投稿过程“出奇顺利”，在投稿后 4 天就直接被编辑送审。只经历一轮审稿，就被编辑“原则上同意接收发表”。当然，这并不是巧合和运气，在看到他们取得阶段性的成果后的“水到渠成”。

在“顺利”的背后，该课题组在科研的道路上勤耕不辍值得更多关注。此前，该课题组在超导量子线路系统的量子控制等领域积累了很多重要的技术基础。比如 2020 年，徐源与合作者在超导量子线路系统中首次提出了可调耦合器与固定频率比特的耦合架构[4]，并在该系统中实现了高保真度高扩展性的两比特量子门操控，控制保真度达到了国际先进水平。

2022 年，徐源、倪忠初与合作者提出并实现了一种全新的量子控制方法，可完全消除超导比特间的残余纵场串扰相互作用，并极大地降低了量子线路错误率[5]。该方法在可扩展性上具有显著优势，为未来的大规模量子芯片设计和量子信息处理奠定重要基础。

徐源和倪忠初在与量子纠错研究方向的选择上有不同的机缘。徐源在西安交通大学读本科时，看到了中国科学技术大学郭光灿院士关于量子信息技术的视频报告。于是，便对“神奇的量子世界”深深着迷，立志要从事这一方向的科学研究。之后他被保研到清华大学直博，加入了孙麓岩教授课题组。

他说：“我跟着孙老师一步一个脚印，学到了很多关键的实验技术，慢慢走进了这一研究领域，并产生了深厚的科研兴趣。我认为，当前该领域亟待解决的关键科学难题是如何利用量子科技真正实现有实际价值的应用。只有真正实现了这一点，才能够为整个量子信息技术领域发展带来更强的信心和动力。”

而倪忠初因一次“重要沟通”与该领域结缘，在偶然一次与徐源沟通后，对三维谐振腔和量子纠错的相关研究产生浓厚兴趣。接下来，他还想研究如何更进一步提高玻色编码逻辑量子比特的相干寿命，并尝试将可纠错的玻色模式应用在不同场景下。

实现实用化可扩展的通用量子计算机是该领域的长远目标，但目前距离这一目标还有相当长的一段路要走。倪忠初表示：“在超导量子计算领域内，还需要在加工工艺上进行更多的优化来进一步提升量子系统的相干时间，同时还需要错误率更低的操控技术产出突破性的进展。”

该研究成果带领人们从物理比特层面进入逻辑量子比特层面，从含噪声量子时代步入了纠错量子时代。在未来的 20 年甚至更长时间，人们将沿着这条路线继续往前探索未知的量子世界。“未来，在纠错量子时代，只有解决了如何对可纠错的逻辑量子比特实现高精度的量子操控和扩展，以及在逻辑量子比特上运行具有实际应用价值的量子算法，才能够真正展示量子计算机的强大能力。”徐源说。

参考资料：

1.Ni, Z., Li, S., Deng, X. et al. Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit. Nature (2023).  https://www.nature.com/articles/s41586-023-05784-4

2.Hu, L., Ma, Y., Cai, W. et al. Quantum error correction and universal gate set operation on a binomial bosonic logical qubit. Nature Physics 15, 503–508 (2019). https://doi.org/10.1038/s41567-018-0414-3  

3.Ma, Y., Xu, Y., Mu, X. et al. Error-transparent operations on a logical qubit protected by quantum error correction. Nature Physics 16, 827–831 (2020). https://doi.org/10.1038/s41567-020-0893-x

4.Yuan Xu et al. High-Fidelity, High-Scalability Two-Qubit Gate Scheme for Superconducting Qubits. Physical Review Letters 125, 240503(2020). https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.240503  

5.Zhongchu Ni et al. Scalable Method for Eliminating Residual ZZ Interaction between Superconducting Qubits. Physical Review Letters 129, 040502(2022). https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.040502  

运营/排版：何晨龙

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