記者12月23日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校教授潘建偉、朱曉波、彭承志和副教授陳福升等，基于超導(dǎo)量子處理器“祖沖之3.2號(hào)”在碼距為7的表面碼上實(shí)現(xiàn)了低于糾錯(cuò)閾值的量子糾錯(cuò)，使得我國(guó)達(dá)到了“低于閾值，越糾越對(duì)”的關(guān)鍵里程碑，為未來(lái)大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算奠定關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。
實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)的必要條件是通過(guò)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(guò)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量子比特和量子門操作，導(dǎo)致更多的噪聲源和錯(cuò)誤通道。如果物理量子比特的原始錯(cuò)誤率過(guò)高，增大糾錯(cuò)碼距帶來(lái)的額外錯(cuò)誤反而會(huì)淹沒(méi)糾錯(cuò)帶來(lái)的收益，導(dǎo)致“越糾越錯(cuò)”。在所有錯(cuò)誤類型中，“泄漏錯(cuò)誤”尤為致命——量子比特會(huì)脫離預(yù)定的計(jì)算能級(jí)，進(jìn)入無(wú)法通過(guò)表面碼直接糾正的無(wú)效狀態(tài)。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，泄漏錯(cuò)誤的累積效應(yīng)將成為阻礙糾錯(cuò)性能提升的主要瓶頸。
因此，全球量子糾錯(cuò)研究的焦點(diǎn)在于不斷降低物理比特的各類錯(cuò)誤水平，特別是抑制泄漏錯(cuò)誤，使系統(tǒng)的整體操控精度突破一個(gè)嚴(yán)苛的“糾錯(cuò)閾值”。只有跨越這一閾值，量子糾錯(cuò)才能產(chǎn)生正向凈收益，實(shí)現(xiàn)“越糾越對(duì)”的理想效果。實(shí)現(xiàn)“低于閾值”的量子糾錯(cuò)，成為衡量量子計(jì)算系統(tǒng)能否從實(shí)驗(yàn)室原型走向?qū)嵱没年P(guān)鍵分水嶺。
近期，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)基于107比特“祖沖之3.2號(hào)”量子處理器，提出并成功實(shí)踐了一種全新的“全微波量子態(tài)泄漏抑制架構(gòu)”。在“祖沖之3.2號(hào)”處理器本身具備的高精度單雙比特門操作、長(zhǎng)相干時(shí)間等優(yōu)異性能基礎(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)，實(shí)現(xiàn)了碼距為7的表面碼邏輯比特。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，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，成功達(dá)到了“越糾越對(duì)”的目標(biāo)。同時(shí)，研究人員介紹，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，為未來(lái)構(gòu)建百萬(wàn)比特級(jí)量子計(jì)算機(jī)提供了一種更具優(yōu)勢(shì)的解決方案。
該成果以封面論文和“編輯推薦”的形式發(fā)表于權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》。
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