深圳量子研究院在量子纠错领域取得里程碑重大突破

　　日前，在俞大鹏院士的带领下，深圳量子研究院超导量子计算实验室的助理研究员徐源课题组，联合福州大学郑仕标教授、清华大学孙麓岩教授等团队攻坚克难，在基于超导量子线路系统的量子纠错领域一举取得突破性重大实验进展。他们通过开发一系列实时重复的量子纠错技术，延长了量子信息的存储时间，在国际上首次超越盈亏平衡点，真正展示了量子纠错的优势。这一量子计算的里程碑突破代表了迈向实用化可扩展通用量子计算的关键一步，相关研究成果以“Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit”为题于2023年3月22日在线发表在国际顶尖学术期刊Nature上，这是一项突破当前量子纠错技术无法实用化、可扩展发展的核心瓶颈的实现。

　　据俞大鹏院士介绍，量子计算机目前无论是单比特还是两比特的量子逻辑门控制错误率远远高于数字电子计算机。这使得量子计算机不仅非常容易发生错误，同时由于量子不可克隆复制原理，限制了它无法像电子计算机那样通过备份方式去纠正错误。不能纠正错误的量子计算机是无法解决任何实际问题的，因此也就无法得到大规模的实际应用。

　　虽然近些年基于超导量子线路系统的量子信息处理技术研究取得了飞速的发展，但量子控制的错误率仍然远高于经典数字电子计算机，因此想要构建具有实用价值的通用量子计算机仍然非常困难。量子纠错被普遍认为是通向实用化通用可容错量子计算机的必经之路，这是因为量子纠错可以有效地保护量子信息避免受到环境中噪声的干扰和影响，进而延长量子信息的存储时间和提高量子操控精度。为了给量子计算机纠正错误，科学家提出了各种量子纠错方法，其核心原理为将量子信息编码在一个更大维度的希尔伯特空间中的逻辑量子比特上，来实现信息的冗余存储。这样即使逻辑比特发生错误，其量子态也只是从这个大空间中的某个子空间跑到另外一个子空间，并不会跑出这个大的希尔伯特空间。因此我们可以利用一些辅助量子比特去检查逻辑量子比特的“健康”状况，也就是判断逻辑比特发生了什么错误，跑到了哪个错误子空间，然后我们就可以实时地去纠正相对应的错误，进而恢复量子信息。通过重复地执行这些实时的错误探测和纠正操作，原则上就可以延长量子信息的存储时间。

　　俞大鹏院士又说，为了攻克传统量子纠错方案所面临的这些问题，该联合研究团队独辟蹊径利用多能级体系的微波简谐振子或玻色模式系统来扩充希尔伯特空间维度，进而实现量子信息的冗余编码与量子纠错。在超导量子线路系统中，基于玻色编码的量子纠错方案具有错误类型简单、错误探测方便、相干性能好、硬件更高效、反馈控制易实现等优点，因此该方案已逐步发展成为当前的一个前沿热门研究方向。本研究工作中，研究团队通过开发高相干性能的量子系统，设计和实现低错误率的错误症状探测方法，以及改进和优化量子纠错技术等实验手段，最终在玻色模式中实现了基于离散变量的二项式编码的逻辑量子比特，并通过实时重复的量子纠错过程，延长了量子信息的存储时间达到805微秒，不但远超过之前国际上的最好水平（318微秒），同时也超过了该系统中不纠错情况下的最好的物理比特的相干寿命（694微秒），也就是突破了盈亏平衡点16%。这也是国际上首次通过主动的重复错误探测和纠错过程实现延长量子信息的存储时间超越盈亏平衡点，是国际量子计算领域的一个里程碑。通用可容错的量子计算机被认为是第二次量子科技革命的皇冠，而量子纠错则是这个皇冠上的明珠。这一研究工作实现了量子纠错突破盈亏平衡点的一小步，却代表着人类从含噪声的量子时代迈向纠错量子时代的关键一步。