SUSTech科研说 | 从本科生到博士生，他的南科七年学术之旅

近日，2020级物理系博士生倪忠初以第一作者身份在国际顶尖学术期刊Nature上发表题为“Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit”的研究论文。该研究通过实时重复的量子纠错技术延长了量子信息的存储时间，在国际上首次超越盈亏平衡点，展示了量子纠错优势。这一里程碑突破代表了迈向实用化可扩展通用量子计算的关键一步。

这一成果的最大突破是什么？

科研过程中遇到过什么困难？

本次，我们特邀倪忠初同学

分享他们科研团队与这篇科研成果

背后的南科故事

为“关键性科学难题”寻找“最优解”

近几年，基于超导量子线路系统的量子信息处理领域研究取得了突飞猛进的发展，但由于量子计算机体系的错误率远高于经典数字计算机，想要构建具有实用价值的通用量子计算机，量子纠错必不可少。传统的量子纠错方案编码一个逻辑量子比特需要多个冗余的物理比特，不但需要巨大的硬件资源开销，并且发生错误的通道数也会随着比特数的增加而显著增多，呈现“越纠越错”的尴尬局面 。现有关于量子纠错方案的演示性实验研究未真正超越盈亏平衡点，这也是当前量子纠错技术无法实用化、可扩展发展的核心瓶颈。

量子纠错过程示意图

倪忠初在本科就读南科大期间，就进入了实验室开始学习接触量子纠错技术相关方向的知识，并逐步积累实验经验。而此时，量子科学与工程研究院副研究员徐源已瞄准了这一“关键性科学难题”，自2019年开始布局，带领着研究小组成员从“0”出发，逐步完成实验平台的初步搭建、测控系统的相关调试，以及量子纠错方案的设计和不断优化。

2021年，顺利直博的倪忠初开始正式参与进这个量子纠错的研究课题，主要工作是通过实验去调试和优化核心的量子纠错方案。“刚接手这个课题的时候我并没有想太多，全力以赴去做就好。”倪忠初表示，“甚至起初我都觉得我们不一定能够达成很好的实验结果，一切都是未知数，但是我们一步一个脚印，慢慢看到了一些突破盈亏平衡点的希望，整个科研过程中伴随着很多挫折和意外的惊喜。”

量子纠错操作的实验表征结果

为了克服量子纠错领域出现的问题，倪忠初和课题组成员利用微波简谐振子的无穷维希尔伯特空间，实现量子信息的冗余编码与量子纠错，通过开发高相干性能的量子系统，设计和实现低错误率的错误症状探测方法，以及改进和优化量子纠错技术等实验手段，最终在玻色模式中实现了基于离散变量的二项式编码的逻辑量子比特。

在不断减小误差中突破瓶颈

Nature期刊的两位审稿人都对这项研究给予高度评价，称：“该结果实现了重要的突破，并且整体的实验能力接近国际先进水平。"

“突破”的背后实际上是整个团队不断的积累和试错。倪忠初在优化逻辑比特的错误探测手段上面花费了很多时间，其中包括早期的仿真验证以及后续的实验波形优化。实验的最后阶段，课题组成员遇到了实验结果不理想的困扰。“我们不断像挤海绵一样，一点点地减小各个方面的误差，把实验结果往上提。研究过程中，比较意外的是，我们原创的错误探测方法能运用于更多的场景，远超我们的预想。在此基础上，我们可以开展进一步的纠错实验研究。”倪忠初说，“我惯用的解决方法其实就是多尝试、多讨论，在组会上整理提出实验遇到的具体问题，通过大家集中智慧一起讨论寻求可能的方案，最后再继续埋头去不断试错”。

倪忠初始终认为：“实验科学研究就是不断地遇到问题、分析问题、寻找可能原因、尝试不同的解决办法的循环过程。”秉持着小心翼翼、把每一个实验步骤都思考清楚的科研态度，倪忠初慢慢培养出了严谨的科研习惯。

这项科研成果的顺利发表得益于很多人的帮助，但倪忠初最想感谢的人还是徐源老师。倪忠初进入实验室开始接触课题时，恰逢徐源老师刚入职南科大。倪忠初坦言：“刚进入实验室的时候我做事畏手畏脚，几乎每一步都担心自己会不会操作不当，导致设备出现问题。”徐源老师耐心的教导为他提供了很多帮助：“徐源老师会亲自操作仪器，手把手的带我们做实验，排疑解难耐心解释，每当实验上遇到问题，他总是可以提供很多宝贵的经验，让我获益匪浅。”

倪忠初（左）与徐源老师（右）在实验室

下一步他们还将通过量子纠错技术实现高精度的逻辑量子比特操控，实现逻辑比特的操控错误率远低于物理比特的操控错误率。这一里程碑研究将解决实现通用容错量子计算机的下一个关键科学难题。

是幸运的选择也是努力的必然

从本科生到博士生，今年已经是倪忠初来到南科大的第七个年头。

高中时，一次机缘巧合，倪忠初通过室友递来的招生简章，了解到南科大这所极具发展潜力的新型研究型大学。回顾2016年刚入学的时候，倪忠初对南科大的初印象是生机和创造力。他回忆，虽然当时学校基础设施都还在建设中，但学校的整体学习氛围开放且有活力，学生们的日常生活丰富且紧凑：“很荣幸能够在这短短的七年时间内能够见证南科大的发展，一起共同成长”。

科研学习之外，倪忠初还在学校学生新闻社承担设计工作，绘制了很多活泼可爱的动漫人物形象，为他的日常生活增添不少乐趣。

倪忠初绘制的动漫作品

南科大扎实的本科教学培养了倪忠初在科学研究中敏锐的问题意识和好习惯，为他参与实验课题研究奠定了基础，坚定了他继续留本校进行超导量子计算研究的决心。谈及在学习研究中心得和经验，倪忠初认为最重要的有三点，一是把握时间，时间一转眼就会过去，一定要利用所有可利用的时间积累实验经验；二是打好基础，不懂的东西一定要多问问导师，多思考，导师是最宝贵的资源；三是要勇于尝试，实验科学研究总会遇到各种完全意想不到的问题，只有坚持下去，换个角度去重新审视问题，才能找到研究中最关键的那个核心点。

倪忠初用“幸运”一词概括了他的科研生活，一开始他选定了超导量子芯片设计作为自己的研究方向，在偶然一次与徐源老师沟通后，他对三维谐振腔和量子纠错的相关研究产生了浓厚兴趣。未来，他还想研究如何更进一步提高玻色编码逻辑量子比特的相干寿命，并尝试将可纠错的玻色模式应用在不同场景下。“能走到现在完全是一系列巧合导致的必然，所以我觉得还是挺幸运的。”

论文链接：

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

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来源：理学院、物理系

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