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來源：文匯報 量子糾錯是實現大規模量子計算的關鍵基礎，在這個領域，我國科學家近日取得重大突破。記者從中國科學技術大學獲悉，該校教授潘建偉、朱曉波、彭承志和副教授陳福升等，在不久前的實驗中，基于超導量子處理器“祖沖之3.2號”，在碼距為7的表面碼上實現了“低于閾值，越糾越對”的量子糾錯里程碑。 值得一提的是，這一成果的取得，是基于該團隊獨創的一種“全微波控制”的全新路徑，其糾錯效率和可擴展性都優于美國谷歌公司之前的方案。12月22日，該成果以封面論文和“編輯推薦”的形式，被國際權威學術期刊《物理評論快報》發表，美國物理學會《物理》欄目對此進行專題報道。 對量子計算機而言，量子比特極易受環境干擾而產生錯誤。因此，通用量子計算必須借助量子糾錯來抑制這類錯誤，以滿足大規模集成的要求。目前，量子糾錯最成熟方案之一是“表面碼”，它將多個物理量子比特編碼成一個邏輯量子比特以抵御干擾。雖然從原理上說，隨著物理比特數目（即碼距）的增加，邏輯比特的錯誤率能不斷降低，可在實踐中，該方案卻面臨悖論——為糾錯而引入的額外量子比特和量子門操作，本身也會帶來更多噪聲源和錯誤通道；一旦物理量子比特的原始錯誤率過高，糾錯的努力就會顯得“得不償失”，淹沒在新增的錯誤中，導致“越糾越錯”。 目前，全球量子糾錯都把研究焦點放在如何降低物理比特的錯誤水平，特別是要抑制其中一種“泄漏錯誤”（即量子比特脫離預定計算能級，進入無法通過表面碼直接糾正的無效狀態），最終使整體操控精度突破所謂“糾錯閾值”。只有跨越這一嚴苛的閾值，量子糾錯才能產生正向凈收益，做到“越糾越對”。 
中國科大超導量子計算研究團隊在國際上較早布局量子糾錯研究，2022年他們率先實現了碼距為3的表面碼邏輯量子比特，首次驗證了表面碼方案的可行性。這次，他們基于107比特的“祖沖之3.2號”量子處理器，實現了碼距為7的表面碼邏輯比特。實驗數據顯示，其邏輯錯誤率隨碼距增加而顯著下降，錯誤抑制因子達1.4，證明系統已工作在糾錯閾值之下，成功達到“越糾越對”的目標，而這被公認為量子計算系統從實驗室原型到實用化的關鍵分水嶺。 更具里程碑意義的是，中國科大方案還展現出了獨特的競爭優勢。事實上，谷歌公司曾于今年2月利用其“垂柳”處理器，在碼距為7的表面碼上實現了低于閾值的邏輯比特。然而，該技術路線基于直流脈沖量子態泄漏抑制方法，不僅對量子處理器的芯片架構施加了較多約束，而且擴展性很差，隨著量子比特數的擴展，該技術路線需要在極低溫環境下進行復雜布線，硬件資源開銷極大。 中國科大團隊則獨辟蹊徑，依托于“祖沖之3.2號”處理器本身所具備的高精度單雙比特門操作、長相干時間等優異性能，提出并成功實踐了全新的“全微波量子態泄漏抑制架構”，具有天然的頻分復用特性，在硬件效率和擴展性上較谷歌路線具有顯著優勢，從而為未來構建百萬比特級量子計算機提供了一種更具優勢的解決方案。 |
