□ 徐 源  俞大鹏

    量子计算是一种基于量子力学原理进行信息处理的重要技术。由于充分利用量子力学所特有的相干叠加和纠缠等特性，量子计算机具有远超经典计算机的巨大潜力，在大数据分析、密码破译、机器学习与人工智能等领域具有非常重要的应用前景。

    目前，在物理量子比特上，量子信息通常编码很容易受到外界环境中噪声干扰，导致量子计算过程中信息丢失或错误，使量子计算运行结果不可靠。为了保证最终运算结果可靠性，就需要一种量子技术检测量子比特是否发生了错误，以及发生了哪种错误，并能及时纠正相应的错误，这就是量子纠错。

    在实际量子纠错过程中，执行错误症状的探测和错误纠正操作时，也会不可避免地引入新的错误，如果引入的错误超过纠正的错误，就会出现“越纠越错”的尴尬局面。如何利用量子纠错技术极大地延长逻辑量子比特的相干寿命，超过不纠错情况下体系最佳物理比特的相干寿命，也就是超越盈亏平衡点，是当前量子纠错领域克服“越纠越错”难题的重要挑战。

    针对这一难题，研究人员开发了硬件高效的玻色编码量子纠错方案。该方案利用单个简谐振子中玻色模式来构建一个无穷维的希尔伯特空间，实现量子信息冗余编码，通过将量子信息分散在玻色模式无穷维的希尔伯特空间，就可以构建连续变量编码的逻辑量子比特，如猫态编码和GKP编码。

    然而现有的量子纠错技术，仍然无法延长这种二项式编码逻辑量子比特相干寿命超过盈亏平衡点，进而限制了其发展潜力。我们的研究团队重点围绕这一问题，创造性地开发了一系列量子纠错优化技术，成功延长了这种二项式编码逻辑量子比特的相干寿命突破盈亏平衡点，展示了量子纠错优势，取得了重大实验成果。

    在执行量子纠错过程中，为了尽可能提高量子纠错效果，我们的研究团队还整合了一系列量子纠错优化手段，以此消除实验操作上的一些固有误差。实验结果显示，纠错后的保真度相比没有纠错情况有了显著提高，展示了量子纠错操作的有效性。

    最终，通过两层量子纠错保护的二项式编码逻辑量子比特相干寿命提高到了805微秒，是未纠错二项式编码的2.9倍，是盈亏平衡点的1.2倍，超越了盈亏平衡点16%，真正实现了正的量子纠错增益。

    这项研究进展实现了突破盈亏平衡点的量子纠错，展示了量子纠错优势，是迈向实用化容错量子计算的关键一步，标志着从含噪声的量子时代逐渐步入了量子纠错时代，为未来构建可纠错量子计算机奠定了重要基础。这项工作将引领整个量子计算领域的发展，推动早日做出可纠错的通用量子计算机，未来将会在密码破译、大数据搜索、复杂问题优化、材料分子设计与模拟等方面有重要的应用潜力。

    （作者徐源系深圳国际量子研究院研究员，俞大鹏系中国科学院院士、深圳国际量子研究院院长）