量子计算要从实验演示走向可用计算能力,绕不开一个核心瓶颈:量子比特极易受噪声干扰而出错,规模越大、运行越久,错误就越容易积累并迅速淹没有效信息。
如何在不牺牲系统可扩展性的前提下抑制错误,是通用量子计算必须回答的现实问题。
在诸多纠错方案中,表面码因结构清晰、实现路径相对成熟,被国际学界普遍视为大规模量子计算的“主赛道”之一。
其基本思路是用多个物理量子比特编码形成一个逻辑量子比特,并通过重复测量校验信息来发现并修正错误。
理论上,码距(可理解为编码规模)越大,逻辑错误率应当越低。
但工程实践中存在典型悖论:纠错需要增加量子比特数量与门操作次数,而这些新增操作本身会引入更多噪声源和错误通道;当物理比特的本底错误率较高时,纠错反而可能“越纠越错”。
因此,能否让系统整体操控精度跨越“纠错阈值”,使纠错带来净收益,成为衡量量子计算体系走向实用的关键分水岭。
此次中国科学技术大学团队取得的进展,正是在这一分水岭上实现实证跨越。
团队基于107比特的超导量子处理器“祖冲之3.2号”,在码距为7的表面码上实现逻辑错误率随码距增大而显著下降,实验给出的错误抑制因子达到1.4,表明系统已运行在阈值之下,达到“低于阈值、越纠越对”的里程碑目标。
相关成果以封面论文并获“编辑推荐”形式发表于国际期刊《物理评论快报》,并受到美国物理学会《物理》栏目的专题关注。
从原因看,这一突破并非单点性能提升,而是“器件能力+系统架构”的协同结果。
一方面,“祖冲之3.2号”在单双比特门操作精度、相干时间等关键指标上具备良好基础,为提升纠错收益创造了底层条件;另一方面,团队提出并验证了“全微波量子态泄漏抑制架构”。
泄漏错误是量子纠错中的棘手问题之一,量子比特一旦脱离预定能级,常规表面码难以直接纠正,且会在后续操作中引发更复杂的错误传播。
针对这一难点,全微波路径通过微波控制实现对泄漏的抑制与管理,减少额外硬件约束,并天然具备频分复用特性,有利于在更大规模系统中提升布线与控制效率。
这一进展的影响主要体现在三个层面。
其一,它以可量化的实验数据验证了在码距为7条件下实现“越纠越对”,为我国在量子纠错关键赛道上确立了重要技术坐标。
其二,它提供了更具工程可扩展性的路线选择。
此前国际上也有在相同码距下达到阈值之下的实现,但部分技术路线依赖直流脉冲等方法抑制泄漏,对芯片架构约束较多,且随着规模扩张需要在极低温环境中进行更复杂的布线与资源投入。
相比之下,全微波方案在硬件效率与扩展性方面展现出更强的潜力。
其三,它对未来“百万比特级”量子计算机的系统集成提出了更清晰的技术抓手:不仅要追求单个量子门的高保真,更要在控制架构、读出与校验、泄漏管理、复用与布线等系统工程上形成可复制的整体方案。
面向下一步发展,对策与攻关方向也更加明确:持续降低物理比特本底错误率并稳定保持在阈值之下;在更大码距和更长纠错循环中验证逻辑错误率的持续下降规律;优化微波控制与读出链路的集成度,提升频分复用条件下的系统稳定性;推动纠错所需的软硬件协同,包括译码算法、控制时序与校准策略等,以降低运行成本并提高可维护性。
从前景看,量子纠错从“原理可行”走向“工程可扩展”,是量子计算迈向实用化的必经阶段。
此次在码距为7实现阈值之下运行,并提出具备扩展优势的全微波架构,意味着我国在关键技术环节上取得新的可持续优势。
未来,随着更高质量的量子器件、更高效的控制架构与更成熟的纠错系统协同推进,逻辑量子比特的可靠性有望进一步提升,为构建更大规模、可执行更复杂任务的量子计算系统创造条件。
量子纠错技术的突破代表了当代科学前沿的探索方向,也体现了我国科研团队在基础研究领域的创新能力。
从码距为3到码距为7的进展,虽然数字看似简单,但背后凝聚了科学家们在极限条件下的持续创新和突破。
更重要的是,中国科大团队所开创的"全微波控制"新路径,不仅解决了当前的技术瓶颈,更为后续的大规模量子计算提供了可持续的发展方向。
这种既追赶国际先进水平、又自主创新超越的研究态度,正是我国科技事业向高质量发展迈进的生动写照。
可以预见,随着量子纠错技术的不断完善和应用,量子计算从科学梦想到现实工具的转变已不再遥远。