清华大学交叉信息研究院孙麓岩超导量子计算课题组一直致力于量子纠错的实验研究。近日，该课题组与南方科技大学俞大鹏院士和徐源研究团队、福州大学郑仕标教授团队等在基于超导量子线路系统的量子纠错领域取得了突破性实验进展：通过实时重复的量子纠错技术延长了量子信息的存储时间，在国际上首次超越盈亏平衡点，展示了量子纠错的优势。这一里程碑式的突破代表了迈向实用化可扩展通用量子计算的关键一步，相关研究成果以“Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit”为题在线发表在国际顶尖学术期刊Nature上。

虽然基于超导量子线路系统的量子信息处理领域研究近些年发展迅猛，但由于量子计算机体系的错误率远高于经典数字计算机，想要构建具有实用价值的通用量子计算机，量子纠错依然不可或缺，因为量子纠错可以有效地保护量子信息避免受到环境中噪声的干扰。传统的量子纠错方案编码一个逻辑量子比特需要多个冗余的物理比特，不但需要巨大的硬件资源的开销，发生错误的通道数也会随着比特数的增加而显著增多，可能会呈现“越纠越错”的尴尬局面。虽然这种量子纠错方案已经有多个演示性的实验研究工作，可仍然无法解决量子纠错过程中“越纠越错”的问题，未真正实现超越盈亏平衡点。也就是说，量子纠错之后的效果还远没有达到该系统中不纠错情况下的最好值，无法真正产生正的量子纠错增益。这也成为当前量子纠错技术无法实用化可扩展发展的核心瓶颈。

图1. 量子纠错过程示意图

为攻克上述难题，联合研究团队利用微波简谐振子或玻色模式系统中的无穷维希尔伯特空间，实现量子信息的冗余编码与量子纠错。在超导量子线路系统中，基于玻色编码的量子纠错方案具有错误类型简单、错误探测方便、相干性能好、硬件更高效、反馈控制易实现等优点。本研究工作中，研究团队通过开发高相干性能的量子系统，设计和实现低错误率的错误症状探测方法，以及改进和优化量子纠错技术等实验手段，最终在玻色模式中实现了基于离散变量的二项式编码的逻辑量子比特，并通过实时重复的量子纠错过程，延长了量子信息的存储时间，相关结果首次超过该系统中不纠错情况下的最好值，也就是突破了盈亏平衡点。这也是国际上首次通过主动的重复错误探测和纠错过程实现延长量子信息的存储时间超越盈亏平衡点，具有里程碑式的重要意义。

图2 量子纠错操作的实验表征结果

该工作的第一作者是南方科技大学博士生倪忠初。清华大学孙麓岩副教授、福州大学郑仕标教授、南科大量子院徐源助理研究员（交叉信息院2019届博士）、南科大俞大鹏院士为该工作的共同通讯作者。其他合作者包括中国科学技术大学邹长铃教授，南科大刘松副研究员、燕飞副研究员、邓晓玮助理研究员，清华大学王韦婷博士，北京量子信息科学研究院于海峰研究员，福州大学杨贞标教授等。该研究工作得到了广东省科技厅、深圳市科创委、国家自然科学基金委、国家重点研发计划和南方科技大学等单位的大力支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05784-4