研究示意圖。 科研團隊供圖

南方科技大學俞大鵬院士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，在基于超導量子線路系統的量子糾錯領域取得突破性實驗進展。相關研究成果3月23日發表于《自然》。

聯合團隊通過實時重復的量子糾錯技術，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。這一突破向實用化可擴展通用量子計算邁出了關鍵一步。

由于量子計算機體系的錯誤率遠高于經典數字計算機，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保護量子信息免受環境噪聲干擾。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余的物理比特，這不但需要巨大的硬件資源開銷，而且發生錯誤的通道數會隨著比特數的增加而顯著增多，可能會“越糾越錯”。此前，針對該問題已經有多個演示性的實驗研究工作，但仍未真正超越盈虧平衡點，即量子糾錯后的效果遠沒有達到該系統不糾錯情況下的最好值，無法產生正的量子糾錯增益。

為攻克上述難題，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，實現量子信息的冗余編碼與量子糾錯。在超導量子線路系統中，基于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，設計低錯誤率的錯誤癥狀探測方法，并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于離散變量的二項式編碼的邏輯量子比特，并通過實時重復的量子糾錯過程，延長了量子信息的存儲時間。相關結果首次超過該系統不糾錯情況下的最好值，突破了盈虧平衡點。

據介紹，這是國際上首次通過主動的重復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，具有里程碑式重要意義。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05784-4

（原標題《量子糾錯領域首次超越盈虧平衡點》）