超導量子計算重磅進展！中國科大團隊實驗驗證超導量子計算新路徑

近日，中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承志、龔明等與北京大學袁驍合作，聯合多家科研機構，在超導量子計算領域取得重要進展。研究團隊依托新一代超導量子處理器“祖沖之三號”，首次在同一實驗平臺上將大規模量子糾纏資源、拓撲保護量子物態與基于測量的量子計算模型有機貫通，并實現了基于測量的量子算法的實驗演示，為探索面向真實噪聲環境的量子計算新路徑提供了重要實驗依據。相關成果以為題，發表于國際權威期刊《Nature Physics》。

什么是基于測量的量子計算（Measurement-based quantum computing，MBQC）？這一算法與傳統的量子電路模型相比又有哪些區別，存在哪些優勢？

什么是MBQC？

MBQC 最早由 Robert Raussendorf 和 Hans J. Briegel 在 2001年正式提出。MBQC與傳統的超導量子計算模型都可以實現普適的量子計算，雖然二者在邏輯上等價，但是概念層面并不相同。

▲圖1 Robert Raussendorf 與 Hans J. Briegel。

在傳統的量子計算模型中，計算過程依賴于一系列精確控制的多比特邏輯門。而在MBQC中，我們需要先制備一個高度糾纏的簇態，再通過單量子比特測量（和基于測量結果的修正操作）完成計算。在這里，糾纏被視為一種“預先準備好的計算資源”，而測量則相當于在資源態上執行計算邏輯，最終將計算結果反應在未被測量的比特上。

什么是簇態？它是一種特殊的圖態（graph state）。所謂圖，是數學和計算機科學中的一個概念，可以簡單的理解為是由一些端點和連接端點的線組成的圖案。如果我們用圖中端點表示量子比特，而用連線表示一對量子比特間的相互作用，這樣，這幅圖就表示了一種特殊的多量子比特的糾纏態。這種狀態就稱為“圖態”。如果我們把圖限定為方格型結構，那么這種圖態就稱為“簇態”。一般的圖態（如 Haar-random states）結構較為混亂，而簇態具有良好的對稱性結構，更適合進行量子比特的測量和計算。

▲圖2 圖態和簇態示意圖。（圖片由AI生成）

MBQC：首次實現大規模實驗驗證

量子計算被視為當今最具潛力的前沿科技之一，它不僅關乎更快的計算速度，更代表著一種全新的信息處理方式。隨著量子比特規模不斷擴大，系統對噪聲和誤差的敏感性顯著增強。當前研究的核心挑戰，正是在現實硬件條件下，構建出既具可擴展性、又可執行計算任務的量子體系。

MBQC之所以具有吸引力，主要原因在于其在實際實現和理論設計上的顯著特色。首先，相較于高保真的多比特門，測量操作在實驗上更易于實現和控制。其次，該模型的計算邏輯由測量的順序和所選擇的測量基決定，具有高度靈活性，這為算法設計和適應性計算提供了便利。更重要的是，MBQC所依賴的某些糾纏態（例如簇態）天生具備拓撲保護的性質，這對于當前含噪聲的中等規模下（NISQ）的實用量子計算研究尤為重要。

▲圖3 MBQC通過一組高度糾纏的簇態，執行一系列測量，最終基于測量結果反饋量子門。由于糾纏量子比特之間的關聯性，信息流（從左到右）是通過對簇中物理量子比特的測量來實現的。（圖片來源：wikipeida）

然而，MBQC量子計算框架下的量子算法的實驗演示長時間停留在小規模的原理驗證上，關于它在更大規模的真實含噪聲體系下的性能表現尚未得到充分實驗驗證和說明。

本次中國科大團隊的研究，依托 105 比特超導量子處理器“祖沖之三號”，在該平臺上構建了一維和二維結構的大規模簇態糾纏網絡。研究團隊通過并行糾纏操作，在一維結構中實現了最多 95 個量子比特參與的簇態，在二維結構中實現了最多 72 個量子比特參與的簇態，為后續量子信息處理和量子計算實驗提供了高質量的物理資源基礎。

▲圖4 105 比特超導量子處理器“祖沖之三號”示意圖。

在此基礎上，研究人員系統研究了簇態所具有的物理性質，并通過在一維簇態中實現量子態傳輸實驗，系統考察了不同對稱性條件對量子信息傳播行為的影響，從實驗層面驗證了簇態所具有的對稱性保護拓撲特性。

MBQC真的能“算點什么”嗎？

僅有糾纏和拓撲保護性質還不足以回答一個更現實的問題：這種體系真的能“算點什么”嗎？

Deutsch–Jozsa 算法（D-J 算法）是量子計算早期提出的代表性算法之一。D-J 算法可以用于區分某類函數是“常值”還是“平衡”，也是第一個展示量子計算和經典計算在解決具體問題時所具有明顯差異性的算法。

▲圖5 D-J算法的量子線路圖。

盡管該算法考慮的問題本身較為簡單，但它可以較為清晰地展示量子查詢復雜度相對于經典策略的優勢。在文章中，研究團隊首次在大規模二維簇態上，完整實現了D–J算法基于測量的量子計算版本。

實驗結果顯示，在當前含噪聲的真實量子系統中，D–J算法在所采用的實驗設定下相對于經典策略體現出查詢效率優勢。更為關鍵的是，在相同硬件水平與噪聲條件下，隨著問題規模的增大，基于測量的量子計算（MBQC）實現的算法保真度明顯優于傳統量子門電路模型，表現出更好的可擴展性與噪聲魯棒性。這表明，MBQC 并非僅是在理論上與電路模型“等價”的另一種表述，而是在現實噪聲環境中可能具備實際性能優勢的計算模式。

▲圖 6 Deutsch–Jozsa（DJ）算法在不同實現方式下的輸出態保真度隨輸入規模的變化。橫軸表示 DJ 算法的輸入規模（邏輯量子比特數，括號內為 MBQC 實現中所使用的物理量子比特數），縱軸為算法輸出態與理想結果之間的保真度。綠色與藍色曲線分別表示平衡函數在傳統量子門電路模型和基于測量的量子計算（MBQC）模型中的實驗實現結果，是本文關注的主要對比對象；灰色虛線表示 MBQC 實現中所使用的簇態資源本身的初始保真度。隨著系統規模的增大，基于測量的實現方式在輸出態保真度上整體優于電路模型實現，并在較大規模下實現反超。同時，MBQC 的輸出態保真度高于其所依賴的底層簇態資源保真度，表明該計算模式在該任務中展現出更強的噪聲魯棒性和潛在的實際性能優勢。

未來容錯量子計算新路線

本次研究是首次在“祖沖之三號”超導量子計算平臺上，利用MBQC系統實現了大規模糾纏資源構建、拓撲物態實驗探測以及量子計算模型驗證，為探索可擴展量子計算體系提供了完整的實驗范例。

盡管距離真正意義上的容錯量子計算仍有不小距離，但該研究表明，基于二維（乃至未來三維）簇態的測量型量子計算，不再只是遙遠的理論構想，而正在成為可實驗探索的容錯量子計算的新路線。相信在不遠的未來，傳統的電路型量子計算將有可能與測量型量子計算互補融合，為容錯量子計算機的更優、更穩健實現，提供更多可能。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-026-03179-6