低于閾值，越糾越對！中國科大在量子糾錯(cuò)領(lǐng)域達(dá)到關(guān)鍵里程碑

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、彭承志、陳福升等，基于超導(dǎo)量子處理器“祖沖之3.2號(hào)”在碼距為7的表面碼上成功實(shí)現(xiàn)了低于糾錯(cuò)閾值的量子糾錯(cuò)，演示了邏輯錯(cuò)誤率隨碼距增加而顯著下降。這一成果使得我國在量子糾錯(cuò)方向上達(dá)到了“低于閾值，越糾越對”的關(guān)鍵里程碑，同時(shí)也開辟了一條較美國谷歌公司更為高效的“全微波控制”新路徑，為未來大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。該成果以封面論文和“編輯推薦（Editors’ Suggestion）”的形式于12月22日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》，美國物理學(xué)會(huì)《物理》欄目進(jìn)行了專題報(bào)道。

▲圖1. 圖片來源：墨子沙龍

由于量子比特會(huì)不可避免地受到噪聲的干擾而產(chǎn)生錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)的必要條件是通過量子糾錯(cuò)抑制量子比特的錯(cuò)誤率以滿足大規(guī)模集成的要求。表面碼是目前最成熟的量子糾錯(cuò)方案之一。通過表面碼將多個(gè)物理量子比特編碼成一個(gè)邏輯量子比特，原理上隨著物理比特?cái)?shù)目（即碼距）的增加，邏輯比特的錯(cuò)誤率能夠不斷降低。

然而，量子糾錯(cuò)需要引入大量額外的輔助量子比特和額外的量子門操作，導(dǎo)致更多的噪聲源和錯(cuò)誤通道。如果物理比特的錯(cuò)誤率過高，增大糾錯(cuò)碼距帶來的額外錯(cuò)誤反而會(huì)淹沒糾錯(cuò)帶來的收益，導(dǎo)致“越糾越錯(cuò)”。特別是，隨著量子比特規(guī)模的擴(kuò)大，“泄漏錯(cuò)誤”將成為阻礙量子糾錯(cuò)性能提升的致命瓶頸之一。“泄漏錯(cuò)誤”指量子態(tài)偏離計(jì)算空間（|0>, |1>）而進(jìn)入更高能級，具有長壽命和強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，若不有效抑制，則會(huì)破壞量子糾錯(cuò)所依賴的錯(cuò)誤獨(dú)立性假設(shè)，導(dǎo)致糾錯(cuò)完全失效。只有不斷降低物理量子比特的各類錯(cuò)誤水平，特別是抑制最致命的“泄漏錯(cuò)誤”，使得操控精度突破嚴(yán)苛的“糾錯(cuò)閾值”，量子糾錯(cuò)才能實(shí)現(xiàn)正向收益，達(dá)到“越糾越對”。因此，實(shí)現(xiàn)“低于閾值”的量子糾錯(cuò)是全球量子計(jì)算領(lǐng)域長期追尋的核心目標(biāo)，也是驗(yàn)證量子計(jì)算系統(tǒng)能否從原型機(jī)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵里程碑之一。

中國科大超導(dǎo)量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)在國際上較早布局表面碼量子糾錯(cuò)研究。2022年，研究團(tuán)隊(duì)基于“祖沖之2號(hào)”超導(dǎo)量子處理器率先實(shí)現(xiàn)了碼距為3的表面碼邏輯量子比特，首次驗(yàn)證了表面碼方案的可行性。2023年，谷歌實(shí)現(xiàn)了碼距為5的表面碼糾錯(cuò)。受限于當(dāng)時(shí)較高的物理量子比特各類錯(cuò)誤水平，以上工作都未能真正突破糾錯(cuò)閾值。

2024年底，谷歌開發(fā)了直流脈沖量子態(tài)泄漏抑制方法，基于105比特“垂柳”處理器實(shí)現(xiàn)了碼距為7的表面碼邏輯比特，首次實(shí)現(xiàn)了低于糾錯(cuò)閾值的量子糾錯(cuò)，相關(guān)成果于2025年2月正式發(fā)表。谷歌的方法雖然有效，但對量子處理器架構(gòu)有較多約束，比如要求讀取諧振腔頻率低于量子比特頻率等。此外，隨著量子比特?cái)?shù)擴(kuò)展，這種方案在極低溫環(huán)境下需要復(fù)雜的布線，硬件資源開銷極大。

2025年，研究團(tuán)隊(duì)基于107比特“祖沖之3.2號(hào)”量子處理器，提出并實(shí)現(xiàn)了全新的 “全微波量子態(tài)泄漏抑制架構(gòu)”。“祖沖之3.2號(hào)” 處理器的性能較前代處理器得以全方位提升，其單比特門與兩比特門的平均錯(cuò)誤率分別低至 0.089% 和 0.543%，可在約300納秒的讀取時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤率僅為 0.95% 的快速高保真度讀取。在性能提升的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合全微波量子態(tài)泄漏抑制架構(gòu)，基于“祖沖之3.2號(hào)”實(shí)現(xiàn)了碼距為7的表面碼邏輯比特，邏輯錯(cuò)誤率隨碼距增加顯著下降，錯(cuò)誤抑制因子達(dá)到1.4，證明了系統(tǒng)已工作在糾錯(cuò)閾值之下，成功實(shí)現(xiàn)了“越糾越對”的目標(biāo)。同時(shí)，全微波量子態(tài)泄漏抑制架構(gòu)具有天然的頻分復(fù)用特性，在硬件效率和擴(kuò)展性上較谷歌的技術(shù)路線具有顯著優(yōu)勢，為未來構(gòu)建百萬比特級量子計(jì)算機(jī)提供了一種更具優(yōu)勢的解決方案。

▲圖2. 左：隨著碼距增從3（橙色框內(nèi)比特）增大到5（紅色框內(nèi)比特）再到7（所有彩色標(biāo)注比特），右：邏輯錯(cuò)誤率指數(shù)下降

審稿人對該工作給予了高度評價(jià)，認(rèn)為這是一項(xiàng)“雄心勃勃且令人印象深刻的研究”（an ambitious and impressive study），并指出該工作“確立了泄漏抑制的系統(tǒng)藍(lán)圖”（a blueprint for leakage management）。

該研究得到國家科技重大專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國科學(xué)院及安徽省、上海市、山東省、合肥市、濟(jì)南市等的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/rqkg-dw31

（科研部、物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院）