近日，在俞大鵬院士的帶領下，依托南方科技大學建設的深圳十大基礎研究機構——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的量子糾錯領域取得突破性實驗進展。聯合研究團隊通過實時重復的量子糾錯技術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，展示了量子糾錯優勢。這一里程碑式的突破代表了邁向實用化可擴展通用量子計算的關鍵一步，相關研究成果以“Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit”為題于3月23日在線發表在《自然》雜志上 [Nature (2023)]。

雖然基于超導量子線路系統的量子信息處理領域研究近些年發展迅猛，但由于量子計算機體系的錯誤率遠高于經典數字計算機，想要構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境中噪聲的干擾。

傳統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，發生錯誤的通道數也會隨著比特數的增加而顯著增多，可能會呈現“越糾越錯”的尷尬局面。雖然這種量子糾錯方案已經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中不糾錯情況下的最好值，無法真正產生正的量子糾錯增益。這也成為當前量子糾錯技術無法實用化可擴展發展的核心瓶頸。

量子糾錯過程示意圖

為攻克上述難題，聯合研究團隊利用微波簡諧振子或玻色模式系統中的無窮維希爾伯特空間，實現量子信息的冗余編碼與量子糾錯。在超導量子線路系統中，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、反饋控制易實現等優點。

本研究工作中，研究團隊通過開發高相干性能的量子系統，設計和實現低錯誤率的錯誤癥狀探測方法，以及改進和優化量子糾錯技術等實驗手段，最終在玻色模式中實現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，相關結果首次超過該系統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果

該研究工作得到了廣東省科技廳、深圳市科創委、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