研究示意圖。 科研團(tuán)隊(duì)供圖

南方科技大學(xué)俞大鵬院士團(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)域取得突破性實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。相關(guān)研究成果3月23日發(fā)表于《自然》。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過實(shí)時(shí)重復(fù)的量子糾錯(cuò)技術(shù)，延長了量子信息的存儲(chǔ)時(shí)間，在國際上首次超越盈虧平衡點(diǎn)，展示了量子糾錯(cuò)優(yōu)勢。這一突破向?qū)嵱没蓴U(kuò)展通用量子計(jì)算邁出了關(guān)鍵一步。

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)可以有效保護(hù)量子信息免受環(huán)境噪聲干擾。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，這不但需要巨大的硬件資源開銷，而且發(fā)生錯(cuò)誤的通道數(shù)會(huì)隨著比特?cái)?shù)的增加而顯著增多，可能會(huì)“越糾越錯(cuò)”。此前，針對該問題已經(jīng)有多個(gè)演示性的實(shí)驗(yàn)研究工作，但仍未真正超越盈虧平衡點(diǎn)，即量子糾錯(cuò)后的效果遠(yuǎn)沒有達(dá)到該系統(tǒng)不糾錯(cuò)情況下的最好值，無法產(chǎn)生正的量子糾錯(cuò)增益。

為攻克上述難題，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用微波簡諧振子或玻色模式系統(tǒng)中的無窮維希爾伯特空間，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)誤類型簡單、錯(cuò)誤探測方便、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)通過開發(fā)高相干性能的量子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)低錯(cuò)誤率的錯(cuò)誤癥狀探測方法，并改進(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，并通過實(shí)時(shí)重復(fù)的量子糾錯(cuò)過程，延長了量子信息的存儲(chǔ)時(shí)間。相關(guān)結(jié)果首次超過該系統(tǒng)不糾錯(cuò)情況下的最好值，突破了盈虧平衡點(diǎn)。

據(jù)介紹，這是國際上首次通過主動(dòng)的重復(fù)錯(cuò)誤探測和糾錯(cuò)過程，實(shí)現(xiàn)延長量子信息的存儲(chǔ)時(shí)間超越盈虧平衡點(diǎn)，具有里程碑式重要意義。

相關(guān)論文信息：

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

（原標(biāo)題《量子糾錯(cuò)領(lǐng)域首次超越盈虧平衡點(diǎn)》）