一、突破背景

量子计算具有一些经典计算无法比拟的优越性，但受到量子系统与环境耦合所导致的消相干影响，其引起的错误会进一步导致量子信息的丢失。如何借助量子纠错码来保护逻辑比特，是实现具有实际意义的量子算法的前提。然而，在传统的量子纠错方案编码中，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成本，发生错误的通道数也随比特数增加而显著增多，可能呈现“越纠越错”的局面，导致量子纠错后的效果远未达到不纠错情况下的最好值，无法产生正的量子纠错增益。这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。

二、突破内容

‌团队组成‌：在中国科学院院士俞大鹏带领下，南方科技大学深圳量子科学与工程研究院超导量子计算实验室助理研究员徐源课题组联合福州大学教授郑仕标、清华大学副教授孙麓岩等组成的研究团队。

‌突破成果‌：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，相关结果超过编码逻辑量子比特的物理系统中不纠错情况下的最好值。这是我国科学家在量子纠错领域的最新研究成果，相关学术文章在国际著名学术期刊《自然》网站上刊登。

‌技术亮点‌：郑仕标教授提出了一种玻色码量子错误症状无损检测的新方法。与原有方法相比，其优点是在错误症状检测过程中对系统的扰动得到有效减轻，并且可直接推广到高阶纠错码。南方科技大学俞大鹏院士领导的小组利用该方案，在国际上首次实现了离散变量逻辑比特对盈亏平衡点的超越。

三、突破意义

‌量子计算实用化‌：量子纠错是构建真正实用化量子计算机的必要条件。此次突破为量子计算机的实用化、可扩展化发展奠定了重要基础。

‌推动相关领域发展‌：量子纠错优势将推动可纠错的逻辑量子比特在量子通信、量子模拟、量子计量等方向的发展。

‌国际竞争力提升‌：此次突破展示了我国在量子计算领域的实力，提升了我国在国际量子计算领域的竞争力。

四、未来展望

‌进一步提高逻辑比特寿命‌：研究团队将更进一步探索提高量子纠错效果，进一步延长量子信息存储时间。

‌开发新的逻辑量子控制技术‌：利用量子纠错优势开发新的逻辑量子控制技术，为量子计算机的发展奠定更加坚实的基础。

‌实现高精度逻辑量子比特操控‌：下一个里程碑可能是利用量子纠错技术，实现高精度的逻辑量子比特操控，其操控错误率远低于物理比特的操控错误率。

量子纠错技术工作原理解析

‌一、核心挑战：量子信息的脆弱性‌

量子计算机依赖量子比特（qubit）的叠加态和纠缠态实现计算，但量子态极易受环境噪声（如温度波动、电磁干扰）和操作误差（如门操作不精确）影响，导致信息丢失或错误。与传统计算机不同，量子信息具有以下特性，使得纠错尤为困难：

‌不可克隆原理‌：量子信息无法被完美复制，无法通过简单备份实现冗余保护。

‌测量坍缩‌：直接测量量子态会破坏其叠加性，导致信息丢失。

‌连续错误‌：量子错误可能是连续的（如相位偏移），而非离散的（如经典比特翻转）。

‌二、量子纠错的核心机制‌

量子纠错通过‌冗余编码‌和‌间接测量‌实现，核心步骤如下：

‌1. 冗余编码：将逻辑量子比特映射到多个物理量子比特‌

‌逻辑量子比特‌：用户实际操作的抽象量子比特，需保护其免受错误影响。

‌物理量子比特‌：实际硬件中的量子比特，用于存储和操作逻辑量子比特的信息。

‌编码方式‌：通过量子纠错码（如表面码、Shor码）将1个逻辑量子比特分布到多个物理量子比特上。例如：

‌Shor码‌：用9个物理量子比特编码1个逻辑量子比特，可纠正任意单量子比特错误。

‌表面码‌：将逻辑量子比特编码在二维晶格上，通过局部相互作用实现纠错，适合超导量子硬件。

‌2. 错误检测：间接测量错误症状‌

‌稳定子测量‌：通过测量一组辅助量子比特（附属寄存器）的奇偶性，间接检测物理量子比特中的错误，而不直接测量逻辑量子比特的状态。

例如，表面码中通过测量面内四个数据比特的Z⊗Z⊗Z⊗Z或X⊗X⊗X⊗X，检测比特翻转或相位翻转错误。

‌错误分类‌：将错误分为比特翻转错误（X错误）、相位翻转错误（Z错误）或两者组合（Y错误）。

‌3. 错误纠正：基于检测结果恢复原始状态‌

‌纠错操作‌：根据错误检测结果，应用量子门（如X门、Z门）对受影响的物理量子比特进行纠正。

例如，检测到比特翻转错误后，对目标量子比特施加X门恢复其原始状态。

‌动态修正‌：通过实时反馈调整量子态参数，确保编码空间的完整性。

‌4. 阈值定理：错误抑制的指数级效应‌

‌阈值条件‌：当物理量子比特的错误率低于某一临界值（如表面码的阈值约为1%）时，逻辑错误率会随物理量子比特数的增加而指数级下降。

例如，码距（d）为7的表面码，逻辑错误率可降低至物理错误率的(p/p_threshold)^(d/2)量级。

‌资源消耗‌：纠错所需的物理量子比特数随码距增加而平方级增长（如表面码需2d^2个物理量子比特编码1个逻辑量子比特）。

‌三、关键技术：表面码的实践优势‌

表面码是目前最具潜力的量子纠错方案，其优势包括：

‌高容错能力‌：通过拓扑保护实现高阈值和局部操作需求。

‌可扩展性‌：逻辑错误率随码距增大呈指数下降，适合大规模量子计算。

‌硬件适配性‌：仅需近邻相互作用，适合超导量子比特等硬件平台。

‌实例‌：

谷歌“Willow”处理器通过72和105量子比特实现码距为5和7的表面码，逻辑错误率较物理错误率降低2.14倍，逻辑量子比特寿命提升至物理比特的2.4倍。

研究中开发的高效实时解码系统，可在63微秒内完成码距为5的错误解码，支持百万周期级稳定运行。

‌四、挑战与未来方向‌

‌硬件质量‌：需提升量子比特的寿命、测控精度和集成度。

‌资源效率‌：优化纠错码设计，降低物理量子比特开销（如从Shor码的码率1/9提升至表面码的码率≈1/d²）。

‌系统集成‌：实现纠错各组件的协同设计，解决实时解码、错误机制识别等难题。