3月22日，中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)俞大鵬團(tuán)隊(duì)徐源課題組聯(lián)合福州大學(xué)鄭仕標(biāo)、清華大學(xué)孫麓巖等團(tuán)隊(duì)，在基于超導(dǎo)量子線路系統(tǒng)的量子糾錯(cuò)領(lǐng)域取得突破性重大實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，相關(guān)最新研究成果發(fā)表于《自然》。

研究示意圖 科研團(tuán)隊(duì)供圖

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)時(shí)重復(fù)的量子糾錯(cuò)技術(shù)，延長(zhǎng)了量子信息的存儲(chǔ)時(shí)間，在國(guó)際上首次超越盈虧平衡點(diǎn)，展示了量子糾錯(cuò)優(yōu)勢(shì)。這一里程碑式的突破代表了邁向?qū)嵱没蓴U(kuò)展通用量子計(jì)算的關(guān)鍵一步。

近年來(lái)，雖然基于超導(dǎo)量子線路系統(tǒng)的量子信息處理領(lǐng)域研究取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但由于量子計(jì)算機(jī)體系的錯(cuò)誤率遠(yuǎn)高于經(jīng)典數(shù)字計(jì)算機(jī)，想要構(gòu)建具有實(shí)用價(jià)值的通用量子計(jì)算機(jī)，量子糾錯(cuò)必不可少，因?yàn)榱孔蛹m錯(cuò)可以有效的保護(hù)量子信息避免受到環(huán)境中噪聲的干擾。

傳統(tǒng)的量子糾錯(cuò)方案中，編碼一個(gè)邏輯量子比特需要多個(gè)冗余的物理比特，不但需要巨大的硬件資源的開銷，且發(fā)生錯(cuò)誤的通道數(shù)也會(huì)隨著比特?cái)?shù)的增加而顯著增多，可能會(huì)呈現(xiàn)“越糾越錯(cuò)”的尷尬局面。盡管這種量子糾錯(cuò)方案已經(jīng)有多個(gè)演示性的實(shí)驗(yàn)研究工作，但仍然無(wú)法解決量子糾錯(cuò)過(guò)程中“越糾越錯(cuò)”的問(wèn)題，未真正超越盈虧平衡點(diǎn)，也就是說(shuō)，量子糾錯(cuò)之后的效果還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到該系統(tǒng)中不糾錯(cuò)情況下的最好值，無(wú)法真正產(chǎn)生正的量子糾錯(cuò)增益。這也是當(dāng)前量子糾錯(cuò)技術(shù)無(wú)法實(shí)用化、可擴(kuò)展發(fā)展的核心瓶頸。

為克服上述難題，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用微波簡(jiǎn)諧振子或玻色模式系統(tǒng)中的無(wú)窮維希爾伯特空間，實(shí)現(xiàn)量子信息的冗余編碼與量子糾錯(cuò)。在超導(dǎo)量子線路系統(tǒng)中，基于玻色編碼的量子糾錯(cuò)方案具有錯(cuò)誤類型簡(jiǎn)單、錯(cuò)誤探測(cè)方便、相干性能好、硬件更高效、反饋控制易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)開發(fā)高相干性能的量子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)低錯(cuò)誤率的錯(cuò)誤癥狀探測(cè)方法，以及改進(jìn)和優(yōu)化量子糾錯(cuò)技術(shù)等實(shí)驗(yàn)手段，最終在玻色模式中實(shí)現(xiàn)了基于離散變量的二項(xiàng)式編碼的邏輯量子比特，并通過(guò)實(shí)時(shí)重復(fù)的量子糾錯(cuò)過(guò)程，延長(zhǎng)了量子信息的存儲(chǔ)時(shí)間，相關(guān)結(jié)果首次超過(guò)該系統(tǒng)中不糾錯(cuò)情況下的最好值，也就是突破了盈虧平衡點(diǎn)。

據(jù)介紹，這也是國(guó)際上首次通過(guò)主動(dòng)的重復(fù)錯(cuò)誤探測(cè)和糾錯(cuò)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)量子信息的存儲(chǔ)時(shí)間超越盈虧平衡點(diǎn)，具有里程碑式的重要意義。