Nature：深圳量子研究院取得国际首例「量子纠错」重大突破！

光子盒研究院出品

量子纠错(QEC)旨在通过利用希尔伯特空间(Hilbert space)的冗余来保护逻辑量子比特不受噪声影响，这使得错误可以被实时检测和纠正。在大多数QEC编码中，逻辑量子比特被编码为一些离散的变量，例如光子数，这样在处理后可以毫不含糊地提取编码的量子信息。

在过去的十年中，基于各种离散变量编码方案的重复性的QEC已经被证明了。然而，将这样编码的逻辑量子比特的寿命延长到超过最佳可用的物理量子比特仍然是难以实现的，这代表了判断QEC实际效用的一个平衡点。

此次，南方科大团队在俞大鹏院士的带领下，深圳量子研究院超导实验室的助理研究员徐源课题组联合福州大学郑仕标教授、清华大学孙麓岩教授等团队攻坚克难，在基于超导量子线路系统的量子纠错领域一举取得突破性重大实验进展。

这一工作说明了硬件高效的离散变量编码对于容错量子计算的潜力，相关研究成果以“Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit”为题在线发表在国际顶尖学术期刊《自然》上。

建立量子计算机的主要障碍之一是环境引起的退相干，它破坏了存储在量子比特中的量子信息。

由退相干引起的错误可以通过重复应用量子纠错(QEC)程序来纠正，其中逻辑量子比特被编码在一个高维的希尔伯特空间中，这样不同的错误将系统投射到不同的正交子空间，进而可以在不干扰存储的量子信息的情况下被明确地识别和纠正。

在传统的QEC方案中，逻辑量子比特的码字是由几个物理量子比特的两个高度对称的纠缠状态形成的，并以一些离散变量编码。在过去的二十年里，这种QEC编码在不同系统中的实验演示取得了显著的进展，包括核自旋、金刚石氮空位中心、捕获离子、光量子比特、硅自旋量子比特和超导电路。

在这些实验中，逻辑量子比特的寿命仍然需要大大延长，以达到最好的可用物理组件的寿命，这被认为是判断QEC编码是否能有利于量子信息存储和处理的平衡点。

另一种QEC编码方案是利用简谐振子(oscillator)的大空间，它可以用来编码连续变量或离散变量量子比特。

这两种类型的编码都可以容忍由于能量量子的损失和增益而产生的错误，使量子纠错能够以一种硬件高效的方式进行。电路量子电动力学（QED）系统代表了实现这种编码方案的理想平台：在已有实验中，通过将量子信息分布在连续变量编码的光量子比特的无限维希尔伯特空间上，已经超过了盈亏平衡点；但是这种光量子比特的编码并不是严格正交。

使用最低阶二元编码逻辑量子比特的QEC程序示意图。

这个固有的限制可以用离散变量编码方案来克服。因此，这种离散变量量子比特在容错量子计算中很有前途。只有当编码的逻辑量子比特的寿命超过盈亏平衡点时，这些优势才能在真正的量子信息处理中转化为实际利益。然而，这仍然是一个难以捉摸的科研结果，尽管学者已经为这个目标作出了持久的努力。

此次，南科大团队通过对微波腔中的离散变量光子量子比特进行实时反馈校正，证明了超过QEC的盈亏平衡点。

逻辑量子比特的主要误差，即单光子损耗，被映射到基于约瑟夫森结的非线性振荡器的状态，该振荡器被分散耦合到腔体中，并作为辅助量子比特，通过一个涉及巧妙定制的频率成分组合的连续脉冲实现。

由于驱动频率针对的是发生光子损失事件的误差空间，当逻辑量子比特保持在编码的逻辑空间时，其上的扰动受到高度抑制。这种错误综合征检测的另一个内在优势是，连续驱动可以保护系统不受辅助量子比特的去相位噪声的影响。

用频率梳控制测量误差综合征

联合研究团队利用微波简谐振子或玻色模式系统中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。在超导量子线路系统中，基于玻色编码的量子纠错方案具有错误类型简单、错误探测方便、相干性能好、硬件更高效、反馈控制易实现等优点。

本研究工作中，研究团队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，并通过实时重复的量子纠错过程，延长了量子信息的存储时间，相关结果首次超过该系统中不纠错情况下的最好值，也就是突破了盈亏平衡点。

这也是国际上首次通过主动的重复错误探测和纠错过程实现延长量子信息的存储时间超越盈亏平衡点，具有里程碑式的重要意义。

团队用最低阶的二项式编码证明了这一程序，并将存储的量子信息寿命比最好的物理量子比特延长了16%。与这种错误检测程序相关的一个更重要的特点是，逻辑空间和错误空间都不需要有确定的奇偶性，这使得可以实现可以容忍一个以上的光子损失的QEC编码。

QEC操作的实验性能。（a）-（d）, 编码和解码过程的过程矩阵实部的柱状图。（b）没有QEC的等待时间约为105μs；（c）单层QEC操作的周期时间约为90μs；（d）双层QEC操作的周期时间约为180μs。与未校正的福克状态{|0⟩,|1⟩}编码（黑色方块）相比，带有一层QEC（红色三角形）和两层QEC（蓝色圆圈）的校正二项式编码的过程保真度都表现出缓慢的衰减，这定义了该系统的收支平衡点。带有两层QEC的校正二项式编码比盈亏平衡点提高了1.2倍，也比未校正的二项式编码（黄星）提高了2.9倍，比未校正的反式量子比特（绿钻）提高了8.8倍。

本研究工作中，南方科技大学博士生倪忠初为论文第一作者。南科大量子院徐源助理研究员为论文主要通讯作者，清华大学孙麓岩教授、福州大学郑仕标教授为论文共同通讯作者，南科大俞大鹏院士为最后通讯作者。其他合作者包括南科大刘松副研究员、燕飞副研究员、邓晓玮助理研究员，中国科学技术大学邹长铃教授，北京量子信息科学研究院于海峰研究员和福州大学杨贞标教授等。南方科技大学量子科学与工程研究院为论文第一完成单位。该研究工作得到了广东省科技厅、深圳市科创委、国家自然科学基金委和南方科技大学等单位的大力支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05782-6

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