“超越谷歌，中国在量子纠错领域取得重大突破”

【文/观察者网 王一】“中国科研团队在量子纠错领域取得重大突破，在全球构建实用化量子计算机的竞赛中迈出关键一步。”

香港《南华早报》12月26日报道称，中国科学技术大学潘建伟院士团队基于超导量子处理器“祖冲之3.2号”，成功跨越量子纠错的“容错阈值”，成为美国之外首个、也是继谷歌之后全球第二个实现这一关键里程碑的团队，而且在效率上还超越了谷歌。

“容错阈值”是衡量量子计算机能否在大规模条件下稳定运行的核心标准。长期以来，量子纠错面临一个难题，即纠错过程本身会引入新的错误，导致系统越纠错越不稳定。

潘建伟团队表示，在跨越该阈值后，纠错不再削弱系统稳定性，反而能够降低整体错误率，即“低于阈值，越纠越对”，这是量子计算从理论可行走向可扩展的工程系统的前提。

报道注意到，与谷歌依赖额外硬件抑制错误的路径不同，中方团队采用了基于微波的控制方法，在不显著增加硬件复杂度的情况下实现了关键突破。

中国团队在22日发布的声明中指出，这一路径在构建大规模、具备容错能力的量子计算机上“可能比谷歌方案更高效”。

超导量子处理器“祖冲之3.2号” 社交媒体

加拿大滑铁卢大学物理学家约瑟夫·埃默森（Joseph Emerson）在美国物理学会旗下《物理》杂志撰文评价称，量子比特很容易偏离既定状态，在系统中悄然传播错误，中国团队直面这一量子计算领域最棘手的问题之一，取得了突破是“一项令人印象深刻的成就”。

据介绍，量子计算机不同于传统计算机采用简单的开关逻辑，而是利用量子物理规律运行，理论上可在极短时间内完成传统计算机需要数千年才能完成的复杂任务，例如优化复杂系统和模拟分子。但在现实中，量子计算机面临严重的不稳定性问题，其基本单元量子比特对热、噪声及环境微小扰动极为敏感，运行过程中出错几乎不可避免。

为解决这个问题，科学家们提出量子纠错技术，通过将信息分散到多个量子比特并反复检测错误来维持计算可靠性。然而，这一方案也带来悖论：每增加一个量子比特、每进行一次检测，都会引入新的误差来源。多年实践表明，在未达到特定条件前，纠错往往适得其反。

因此，研究人员将重点放在一个被称为“容错阈值”的临界点上，低于阈值时，纠错制造的错误多于消除的错误；一旦超过阈值，纠错便能带来净收益，系统规模越大反而越稳定。

据《南华早报》报道，中美两国均较早就对表面码投入研究，该方案是目前最成熟、研究最广泛的量子纠错方案之一。2022年，潘建伟团队曾利用“祖冲之2号”超导量子处理器实现了码距为3的表面码逻辑量子比特，首次验证了表面码方案的可行性。

次年，谷歌将该技术推进至码距为5的表面码纠错，但受限于当时较高的物理量子比特各类错误水平，以上工作都未能真正突破纠错阈值。

今年2月，谷歌凭借其“垂柳”处理器取得突破，通过一种基于直流脉冲的量子态泄漏抑制方法，在码距为7的表面码上实现了低于阈值的逻辑比特。不过，这种方法对量子处理器的芯片架构约束严格，且在超低温环境下需要更加复杂的布线，给系统扩展带来挑战。

在最新的研究中，中国科学技术大学团队另辟蹊径，他们基于107比特的“祖冲之3.2号”量子处理器，提出一种全微波方案来抑制泄漏错误，而非增加额外的硬件控制。结合表面码纠错技术，中国研究人员同样构建出码距为7逻辑比特。

实验结果显示，随着系统规模扩大，整体错误率不升反降，错误抑制因子达到1.4，证明了系统已工作在纠错阈值之下，成功达到了“越纠越对”的目标。

而且，潘建伟团队还指出，全微波量子态泄漏抑制架构在硬件效率和扩展性上较谷歌的技术路线具有显著优势，由于微波信号可以复用，多路信号可沿同一根导线传输，该方法有望显著降低布线复杂度和硬件负担，而这正是制约量子处理器规模化的两大瓶颈。

团队认为，综合来看，这一成果指向了一条更加灵活、也更具可扩展潜力的技术路线，有望推动量子计算机向数十万乃至百万比特级迈进。

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