量子糾錯領域首次超越盈虧平衡點

3月22日，中國科學院院士、南方科技大學俞大鵬團隊徐源課題組聯合福州大學鄭仕標、清華大學孫麓巖等團隊，在基於超導量子線路系統的量子糾錯領域取得突破性重大實驗進展，相關最新研究成果發表於《自然》。

研究示意圖 科研團隊供圖

聯合團隊通過實時重複的量子糾錯技術，延長了量子信息的存儲時間，在國際上首次超越盈虧平衡點，展示了量子糾錯優勢。這一里程碑式的突破代表了邁向實用化可擴展通用量子計算的關鍵一步。

近年來，雖然基於超導量子線路系統的量子信息處理領域研究取得了突飛猛進的發展，但由於量子計算機體系的錯誤率遠高於經典數字計算機，想要構建具有實用價值的通用量子計算機，量子糾錯必不可少，因為量子糾錯可以有效的保護量子信息避免受到環境中噪聲的干擾。

傳統的量子糾錯方案中，編碼一個邏輯量子比特需要多個冗餘的物理比特，不但需要巨大的硬件資源的開銷，且發生錯誤的通道數也會隨着比特數的增加而顯著增多，可能會呈現“越糾越錯”的尷尬局面。儘管這種量子糾錯方案已經有多個演示性的實驗研究工作，但仍然無法解決量子糾錯過程中“越糾越錯”的問題，未真正超越盈虧平衡點，也就是説，量子糾錯之後的效果還遠沒有達到該系統中不糾錯情況下的最好值，無法真正產生正的量子糾錯增益。這也是當前量子糾錯技術無法實用化、可擴展發展的核心瓶頸。

為克服上述難題，聯合研究團隊利用微波簡諧振子或玻色模式系統中的無窮維希爾伯特空間，實現量子信息的冗餘編碼與量子糾錯。在超導量子線路系統中，基於玻色編碼的量子糾錯方案具有錯誤類型簡單、錯誤探測方便、相干性能好、硬件更高效、反饋控制易實現等優點。在該研究中，研究團隊通過開發高相干性能的量子系統，設計和實現低錯誤率的錯誤症狀探測方法，以及改進和優化量子糾錯技術等實驗手段，最終在玻色模式中實現了基於離散變量的二項式編碼的邏輯量子比特，並通過實時重複的量子糾錯過程，延長了量子信息的存儲時間，相關結果首次超過該系統中不糾錯情況下的最好值，也就是突破了盈虧平衡點。

據介紹，這也是國際上首次通過主動的重複錯誤探測和糾錯過程，實現延長量子信息的存儲時間超越盈虧平衡點，具有里程碑式的重要意義。