近日，在俞大鵬院士的帶領(lǐng)下，依托南方科技大學(xué)建設(shè)的深圳十大基礎(chǔ)研究機(jī)構(gòu)——深圳量子科學(xué)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(xué)鄭仕標(biāo)教授、清華大學(xué)孫麓巖教授等團(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。聯(lián)合研究團(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。這一里程碑式的突破代表了邁向?qū)嵱没蓴U(kuò)展通用量子計(jì)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(dǎo)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(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)依然不可或缺，因?yàn)榱孔蛹m錯(cuò)可以有效地保護(hù)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(cuò)方案編碼一個(gè)邏輯量子比特需要多個(gè)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(cuò)誤的通道數(shù)也會(huì)隨著比特?cái)?shù)的增加而顯著增多，可能會(huì)呈現(xiàn)“越糾越錯(cuò)”的尷尬局面。雖然這種量子糾錯(cuò)方案已經(jīng)有多個(gè)演示性的實(shí)驗(yàn)研究工作，可仍然無法解決量子糾錯(cuò)過程中“越糾越錯(cuò)”的問題，未真正實(shí)現(xiàn)超越盈虧平衡點(diǎn)。也就是說，量子糾錯(cuò)之后的效果還遠(yuǎn)沒有達(dá)到該系統(tǒng)中不糾錯(cuò)情況下的最好值，無法真正產(chǎn)生正的量子糾錯(cuò)增益。這也成為當(dāng)前量子糾錯(cuò)技術(shù)無法實(shí)用化可擴(kuò)展發(fā)展的核心瓶頸。

量子糾錯(cuò)過程示意圖

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)。

本研究工作中，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)和實(shí)現(xiàn)低錯(cuò)誤率的錯(cuò)誤癥狀探測方法，以及改進(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)中不糾錯(cuò)情況下的最好值，也就是突破了盈虧平衡點(diǎn)。這也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)，具有里程碑式的重要意義。

量子糾錯(cuò)操作的實(shí)驗(yàn)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(xué)基金委和南方科技大學(xué)等單位的支持。

論文鏈接：

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