《清华团队实现量子计算“纠错码”突破，错误率降90%》

一、突破背景与意义

量子计算机体系的错误率远高于经典数字计算机，环境噪声和操作误差极易导致计算结果不可信。因此，量子纠错是构建实用化通用量子计算机的"必经之路"。然而，传统量子纠错方案存在硬件资源开销大、错误通道增多等问题，甚至可能呈现"越纠越错"的局面，成为技术实用化的核心瓶颈。清华团队的突破首次实现了量子纠错优势，为通用量子计算奠定了重要基础。

二、具体突破内容

‌基于玻色编码的量子纠错方案‌：

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。

该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。

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。

‌创新编码与纠错技术‌：

实现了基于离散变量的二项式编码的逻辑量子比特，这种编码方式能够在单一比特出现翻转错误时，通过多数投票判断出现错误的比特并进行纠正。

开发了高相干性能的量子系统，设计了低错误率的错误症状探测方法，并改进和优化了量子纠错技术。

通过精密的微波和激光脉冲控制，实现了跨越射频、微波和光学频段的混合量子纠缠，提高了纠缠态的稳定性和存储时间。

‌实验验证与成果发表‌：

团队在超导量子线路系统中实现了量子纠错突破盈亏平衡点的实验验证，相关结果首次超过该系统中不纠错情况下的最好值。

研究成果以"用离散变量编码的逻辑量子位打破盈亏平衡点"为题在线发表在国际顶尖学术期刊《自然》上。

此外，团队还在《自然·物理》等期刊上发表了多项相关研究成果，展示了量子纠错技术在保护量子信息方面的巨大潜力。

三、突破的影响与前景

‌推动量子计算实用化‌：

清华团队的突破展示了实现低错误率逻辑量子比特的可能性，将吸引更多研究者投入精力进一步提高逻辑比特寿命。

该研究为其他包含玻色模式的体系中设计和优化量子纠错方案的可能性带来启示，将推动多物理体系平台在量子纠错和量子信息处理等方向上的协同发展。

‌促进量子通信与网络发展‌：

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。

团队通过连续量子纠错操作对纠缠逻辑量子比特进行保护，使纠缠逻辑量子比特的相干时间相较于未受保护的状态提高了45%，为构建量子纠错保护的量子网络和分布式量子计算奠定了实验基础。

‌拓展量子计算研究范式‌：

清华团队的研究不仅在实验上取得了突破，还在理论上提出了新的量子纠错编码框架。例如，提出的"镶嵌码"框架使得量子逻辑操作可以直接通过几何旋转来实现，为逻辑量子计算开辟了一条新的实现路径。

清华团队是如何降低错误率的？

. ‌基于玻色编码的量子纠错方案‌

‌原理‌：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。该方案通过单个物理系统（如超导微波腔）编码逻辑量子比特，减少对硬件资源的依赖。

‌优势‌：

‌错误类型简单‌：主要针对光子丢失等单一错误类型，降低纠错复杂度。

‌硬件高效‌：无需大量物理比特编码一个逻辑比特，显著减少资源开销。

‌反馈控制易实现‌：通过实时监测和调整量子态，快速纠正错误。

2. ‌实时重复的量子纠错技术‌

‌过程‌：通过连续监测量子态，实时探测错误症状并立即纠正，形成“探测-纠正”的闭环循环。

‌效果‌：

‌延长存储时间‌：纠错后量子信息的存储时间显著超过未纠错时的物理系统极限。

‌突破盈亏平衡点‌：首次实现纠错后的错误率低于不纠错时的最佳值，证明量子纠错的正增益效应。

3. ‌高相干性能量子系统开发‌

‌技术手段‌：

‌低错误率探测方法‌：设计高精度错误症状探测算法，减少误判和漏判。

‌系统优化‌：改进量子硬件设计，提升量子比特的相干性和操作保真度。

‌成果‌：在超导量子线路系统中，逻辑量子比特的错误率较传统方案降低90%，达到国际领先水平。

4. ‌新型编码框架：镶嵌码（Tessellation Codes）‌

‌创新点‌：

‌几何旋转实现逻辑门‌：通过二维曲面（如球面、平面、双曲面）上的对称群操作，直接实现量子逻辑门，无需复杂电路分解。

‌普适构造理论‌：结合群论与表示论，系统建立不同几何上的编码框架，揭示量子编码与几何的深刻联系。

‌意义‌：为实验上通过几何操作实现容错量子计算提供新思路，推动量子计算与数学几何的交叉融合。

5. ‌多逻辑比特纠缠保护‌

‌技术突破‌：

‌纠缠逻辑量子比特保护‌：通过连续纠错操作，使纠缠逻辑量子比特的相干时间提升45%。

‌贝尔不等式验证‌：首次证明纠错后的纠缠逻辑量子比特可违反贝尔不等式，为量子网络和分布式量子计算奠定基础。

‌应用前景‌：支持构建量子纠错保护的量子网络，推动多节点量子通信和计算。

6. ‌协同创新与跨学科合作‌

‌团队构成‌：清华团队联合南方科技大学、福州大学等机构，整合超导量子计算、量子信息理论、数学几何等领域专家。

‌支持体系‌：研究得到国家自然科学基金、清华大学笃实专项等资助，确保技术攻关的持续性和系统性。