近日，在俞大鵬院士的帶領(lǐng)下，依托南方科技大學建設(shè)的深圳十大基礎(chǔ)研究機構(gòu)——深圳量子科學與工程研究院、深圳國際量子研究院助理研究員徐源等聯(lián)合福州大學鄭仕標教授、清華大學孫麓巖教授等團隊，在基于超導量子線路系統(tǒng)的量子糾錯領(lǐng)域取得突破性實驗進展。聯(lián)合研究團隊通過實時重復的量子糾錯技術(shù)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(yōu)勢。這一里程碑式的突破代表了邁向?qū)嵱没蓴U展通用量子計算的關(guān)鍵一步，相關(guān)研究成果以“Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit”為題于3月23日在線發(fā)表在《自然》雜志上 [Nature (2023)]。

雖然基于超導量子線路系統(tǒng)的量子信息處理領(lǐng)域研究近些年發(fā)展迅猛，但由于量子計算機體系的錯誤率遠高于經(jīng)典數(shù)字計算機，想要構(gòu)建具有實用價值的通用量子計算機，量子糾錯依然不可或缺，因為量子糾錯可以有效地保護量子信息避免受到環(huán)境中噪聲的干擾。

傳統(tǒng)的量子糾錯方案編碼一個邏輯量子比特需要多個冗余的物理比特，不但需要巨大的硬件資源的開銷，發(fā)生錯誤的通道數(shù)也會隨著比特數(shù)的增加而顯著增多，可能會呈現(xiàn)“越糾越錯”的尷尬局面。雖然這種量子糾錯方案已經(jīng)有多個演示性的實驗研究工作，可仍然無法解決量子糾錯過程中“越糾越錯”的問題，未真正實現(xiàn)超越盈虧平衡點。也就是說，量子糾錯之后的效果還遠沒有達到該系統(tǒng)中不糾錯情況下的最好值，無法真正產(chǎn)生正的量子糾錯增益。這也成為當前量子糾錯技術(shù)無法實用化可擴展發(fā)展的核心瓶頸。

量子糾錯過程示意圖

為攻克上述難題，聯(lián)合研究團隊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，實現(xiàn)量子信息的冗余編碼與量子糾錯。在超導量子線路系統(tǒng)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(xiàn)等優(yōu)點。

本研究工作中，研究團隊通過開發(fā)高相干性能的量子系統(tǒng)，設(shè)計和實現(xiàn)低錯誤率的錯誤癥狀探測方法，以及改進和優(yōu)化量子糾錯技術(shù)等實驗手段，最終在玻色模式中實現(xiàn)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(guān)結(jié)果首次超過該系統(tǒng)中不糾錯情況下的最好值，也就是突破了盈虧平衡點。這也是國際上首次通過主動的重復錯誤探測和糾錯過程實現(xiàn)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。

量子糾錯操作的實驗表征結(jié)果

該研究工作得到了廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委、國家自然科學基金委和南方科技大學等單位的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05784-4