【QC科普】实现大规模量子计算的品质保证——高保真度

买西瓜时，我们会问一句“这瓜保熟吗？”

选购量子计算机时，就要问问“这量子门保真吗？”

在量子计算中，量子门的保真度是评估量子计算机性能的重要指标之一，也是实现大规模量子计算的基础。

那么，什么是保真度？哪种量子计算机的保真度最好？

保真度≈正确率

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在计算科学领域，保真度往往指的是数据的完整性和计算的正确性，保真度越高，也就意味着计算设备的可靠性和计算能力越强。

受自然规律、制造材料、技术工艺甚至环境的限制，所有的计算设备都有出错的可能，就如世间不存在100%纯度的黄金。

早些年，我们都遇到过电脑蓝屏的情况，这就是硬件或软件原因导致的计算正确性降低（也可以说是保真度下降），进而引起的程序崩溃现象。

量子计算中的保真度

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量子门是量子计算中的基本运算单元，用于对量子比特进行操作和控制。

简单来说，量子计算机中的门保真度就是指量子计算机进行基本运算时的正确率。

由于量子系统的不稳定性，量子比特会不可避免地与环境（温度、电场、磁场甚至无处不在的宇宙射线）发生相互作用，进而导致计算过程的正确率降低，保真度下降。

这就像我们做数学题时，边上有人一直大声喧哗捣乱，你计算的正确率必然会受到影响，保真度也就下降了。

在现有的量子纠错方案中，最低要求的门保真度为99%，这是针对两比特门定义的，也就是同时对两个量子比特操控的准确性要超过99%，低于这个阈值，就无法进行纠错，量子计算机也就无法运行很多算法和方案。而门保真度越高，纠错越容易，需要的纠错量子比特数量就越少。所以，提高量子门的保真度是当前量子计算研究的关键问题之一。

五大量子计算路线保真度横评

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表1：部分量子计算体系中的门保真度（图片来源：BCG analysis and expert interviews）

量子门的保真度受多种因素影响，不同量子计算路线所能实现的保真度也略有差异。在当前不同的量子计算体系中（表1），能同时兼备可观规模的比特数和比较高的门保真度的体系只有超导和离子阱量子计算。

ION I离子阱量子计算机的真空腔与阱系统

其中，离子阱量子计算的门保真度普遍较高。这是由于在离子阱体系中，科学家可以更容易的对离子本身和离子之间的相互作用进行精确控制，从而进行更精准的门操作。相较于其他量子计算机的技术路线,离子阱可以在室温环境下实现较高的门控保真度,也就是说离子对外部噪声和环境扰动的敏感性较其他技术体系低。所以在现有量子体系中，离子阱量子计算的门保真度领先于其他体系。

离子阱量子计算机的门保真度

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表2：部分离子阱量子计算机的两比特门保真度

目前，全球主流离子阱量子计算机的两比特门保真度指标处于99%-99.9%之间。国仪量子推出的ION I离子阱量子计算系统单比特门保真度优于99.97%，两比特门保真度优于99.7%，远超量子纠错码阈值，达到国际一流水准。 

在量子计算各项技术路线并未实现收敛的当下，离子阱量子计算技术以其量子比特之间连接性好、相干时间长、门操控保真度高、全同量子比特等特点，成为了量子计算机发展中的优势路线之一。

准备交付中的ION I离子阱量子计算机

国仪量子作为国内量子信息技术产业化的引领者，拥有一流的研发团队、深厚的技术积累与产品工程化经验，对当前量子计算发展所处阶段的特点有着深刻认识。自成立以来，国仪量子依托中国科学技术大学核心团队，从用户需求与痛点出发，在量子计算领域不断加强研发投入，进行重点科研攻关，打造了先进可靠的离子阱量子计算研究平台。

对于量子技术参与者来说，长期的成功取决于现在战略。国仪量子将携手相关领域行业伙伴，通过产学研紧密合作，持之以恒的进行科研攻关与技术创新，逐步推动量子计算从实验室迈向实际应用的重大飞跃。

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