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近日，在俞大鵬院士的帶領下，依託南方科技大學建設的深圳十大基礎研究機構-深圳量子科學與工程研究院、深圳國際量子研究院助理研究員徐源課題組聯合福州大學鄭仕標教授、清華大學孫麓岩教授等團隊攻堅克難，在基於超導量子線路系統的量子糾錯領域取得突破性實驗進展。
聯合研究團隊通過實時重複的量子糾錯技術延長了量子信息的存儲時間，在國際上首次超越盈虧平衡點，展示了量子糾錯優勢。
這一里程碑式的突破代表了邁向實用化可擴展通用量子計算的關鍵一步。
相關研究成果以“beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit”為題於2023年3月22日在線發表在國際頂尖學術期刊nature上。
01. 量子糾錯瓶頸：未實現糾錯增益
雖然近些年基於超導量子線路系統的量子信息處理領域研究發展迅猛，但由於量子計算機體系的錯誤率遠高於經典數字計算機，想要構建具有實用價值的通用量子計算機，量子糾錯依然不可或缺，因為它可以有效保護量子信息免受環境中噪聲的干擾。
傳統的量子糾錯方案編碼一個邏輯量子比特需要多個冗餘的物理比特，不但需要巨大的硬件資源開銷，發生錯誤的通道數也會隨着比特數的增加而顯著增多，可能會呈現“越糾越錯”的尷尬局面。
雖然這種量子糾錯方案已經有多個演示性的實驗研究工作，可仍然無法解決量子糾錯過程中“越糾越錯”的問題，未真正實現超越盈虧平衡點。
也就是說，量子糾錯之後的效果還遠沒有達到該系統中不糾錯情況下的最好值，無法真正產生正的量子糾錯增益。這也成為當前量子糾錯技術無法實用化可擴展發展的核心瓶頸。
圖1｜量子糾錯過程示意圖
02. 國際首次，超越盈虧平衡點
為攻克上述難題，聯合研究團隊利用微波簡諧振子或玻色模式系統中的無窮維希爾伯特空間，實現量子信息的冗餘編碼與量子糾錯。在超導量子線路系統中，基於玻色編碼的量子糾錯方案具有錯誤類型簡單、錯誤探測方便、相干性能好、硬件更高效、反饋控制易實現等優點。
本研究工作中，研究團隊通過開發高相干性能的量子系統，設計和實現低錯誤率的錯誤癥狀探測方法，以及改進和優化量子糾錯技術等實驗手段，最終在玻色模式中實現了基於離散變量的二項式編碼的邏輯量子比特，並通過實時重複的量子糾錯過程，延長了量子信息的存儲時間，相關結果首次超過該系統中不糾錯情況下的最好值，也就是突破了盈虧平衡點。
這也是國際上首次通過主動的重複錯誤探測和糾錯過程實現延長量子信息的存儲時間超越盈虧平衡點，具有里程碑式的重要意義。
圖2 ｜量子糾錯操作的實驗表徵結果
03. 強強聯合，多方參與
本研究工作中，南方科技大學博士生倪忠初為論文第一作者。南科大量子院徐源助理研究員為論文主要通訊作者，清華大學孫麓岩教授、福州大學鄭仕標教授為論文共同通訊作者，南科大俞大鵬院士為最後通訊作者。
其他合作者包括南科大劉松副研究員、燕飛副研究員、鄧曉瑋助理研究員，中國科學技術大學鄒長鈴教授，北京量子信息科學研究院于海峰研究員和福州大學楊貞標教授等。南方科技大學量子科學與工程研究院為論文第一完成單位。
該研究工作得到了廣東省科技廳、深圳市科創委、國家自然科學基金委和南方科技大學等單位的大力支持。
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