“中國團隊在量子糾錯領域達到關鍵里程碑，比谷歌更高效”
【文/東方軍事 王一】“中國科研團隊在量子糾錯領域取得重大突破，在全球構建實用化量子計算機的競賽中邁出關鍵一步。”
香港《南華早報》12月26日報道稱，中國科學技術大學潘建偉院士團隊基于超導量子處理器“祖沖之3.2號”，成功跨越量子糾錯的“容錯閾值”，成為美國之外首個、也是繼谷歌之后全球第二個實現這一關鍵里程碑的團隊，而且在效率上還超越了谷歌。
“容錯閾值”是衡量量子計算機能否在大規模條件下穩定運行的核心標準。長期以來，量子糾錯面臨一個難題，即糾錯過程本身會引入新的錯誤，導致系統越糾錯越不穩定。
潘建偉團隊表示，在跨越該閾值后，糾錯不再削弱系統穩定性，反而能夠降低整體錯誤率，即“低于閾值，越糾越對”，這是量子計算從理論可行走向可擴展的工程系統的前提。
報道注意到，與谷歌依賴額外硬件抑制錯誤的路徑不同，中方團隊采用了基于微波的控制方法，在不顯著增加硬件復雜度的情況下實現了關鍵突破。
中國團隊在22日發布的聲明中指出，這一路徑在構建大規模、具備容錯能力的量子計算機上“可能比谷歌方案更高效”。
超導量子處理器“祖沖之3.2號” 社交媒體
加拿大滑鐵盧大學物理學家約瑟夫·埃默森（Joseph Emerson）在美國物理學會旗下《物理》雜志撰文評價稱，量子比特很容易偏離既定狀態，在系統中悄然傳播錯誤，中國團隊直面這一量子計算領域最棘手的問題之一，取得了突破是“一項令人印象深刻的成就”。
據介紹，量子計算機不同于傳統計算機采用簡單的開關邏輯，而是利用量子物理規律運行，理論上可在極短時間內完成傳統計算機需要數千年才能完成的復雜任務，例如優化復雜系統和模擬分子。但在現實中，量子計算機面臨嚴重的不穩定性問題，其基本單元量子比特對熱、噪聲及環境微小擾動極為敏感，運行過程中出錯幾乎不可避免。
為解決這個問題，科學家們提出量子糾錯技術，通過將信息分散到多個量子比特并反復檢測錯誤來維持計算可靠性。然而，這一方案也帶來悖論：每增加一個量子比特、每進行一次檢測，都會引入新的誤差來源。多年實踐表明，在未達到特定條件前，糾錯往往適得其反。
因此，研究人員將重點放在一個被稱為“容錯閾值”的臨界點上，低于閾值時，糾錯制造的錯誤多于消除的錯誤；一旦超過閾值，糾錯便能帶來凈收益，系統規模越大反而越穩定。
據《南華早報》報道，中美兩國均較早就對表面碼投入研究，該方案是目前最成熟、研究最廣泛的量子糾錯方案之一。2022年，潘建偉團隊曾利用“祖沖之2號”超導量子處理器實現了碼距為3的表面碼邏輯量子比特，首次驗證了表面碼方案的可行性。
次年，谷歌將該技術推進至碼距為5的表面碼糾錯，但受限于當時較高的物理量子比特各類錯誤水平，以上工作都未能真正突破糾錯閾值。
今年2月，谷歌憑借其“垂柳”處理器取得突破，通過一種基于直流脈沖的量子態泄漏抑制方法，在碼距為7的表面碼上實現了低于閾值的邏輯比特。不過，這種方法對量子處理器的芯片架構約束嚴格，且在超低溫環境下需要更加復雜的布線，給系統擴展帶來挑戰。
在最新的研究中，中國科學技術大學團隊另辟蹊徑，他們基于107比特的“祖沖之3.2號”量子處理器，提出一種全微波方案來抑制泄漏錯誤，而非增加額外的硬件控制。結合表面碼糾錯技術，中國研究人員同樣構建出碼距為7邏輯比特。
實驗結果顯示，隨著系統規模擴大，整體錯誤率不升反降，錯誤抑制因子達到1.4，證明了系統已工作在糾錯閾值之下，成功達到了“越糾越對”的目標。
而且，潘建偉團隊還指出，全微波量子態泄漏抑制架構在硬件效率和擴展性上較谷歌的技術路線具有顯著優勢，由于微波信號可以復用，多路信號可沿同一根導線傳輸，該方法有望顯著降低布線復雜度和硬件負擔，而這正是制約量子處理器規模化的兩大瓶頸。
團隊認為，綜合來看，這一成果指向了一條更加靈活、也更具可擴展潛力的技術路線，有望推動量子計算機向數十萬乃至百萬比特級邁進。
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