IT之家 11 月 17 日消(xiao)息，量子(zi)(zi)計算的(de)核心(xin)難題在于(yu)量子(zi)(zi)糾錯 —— 如(ru)何(he)在極易出錯的(de)量子(zi)(zi)比特中檢測并移除錯誤。哈佛大學研究團隊開發(fa)出了一套能夠將錯誤抑制至(zhi)關鍵閾(yu)值以下的(de)系統。

相關(guan)成果已于 11 月 10 日發(fa)表在《Nature》上(shang)，被視為邁(mai)向可實用量子計算(suan)的重要一步。

此次合作(zuo)由哈佛大(da)學(xue)和麻省(sheng)理工學(xue)院共同領導，團隊成員來自 Harvard-MIT 實驗室孵(fu)化的(de)初創公司 QuEra Computing、馬里蘭(lan)大(da)學(xue)聯合量子研(yan)究所(suo)以及(ji)美(mei)國國家(jia)標準與技術(shu)研(yan)究院等機構。

哈佛量(liang)子(zi)科學與工程(cheng)項(xiang)目(mu)聯(lian)合(he)主任、論文主要作(zuo)者 Mikhail Lukin 表示(shi)：“我(wo)們首次在(zai)一(yi)個集(ji)成架構(gou)中(zhong)結合(he)了(le)可擴展(zhan)、容(rong)錯量(liang)子(zi)計(ji)(ji)算所需(xu)的(de)全部(bu)關鍵(jian)要素。這些實驗是目(mu)前任何量(liang)子(zi)平臺上最先進的(de)成果(guo)之一(yi)，為構(gou)建(jian)實用的(de)大規模量(liang)子(zi)計(ji)(ji)算奠定了(le)科學基礎。”

論文被(bei)視為(wei)量子糾(jiu)錯三(san)十(shi)年探索(suo)中的(de)(de)一次關鍵進(jin)展。Lukin 表示：“歸根(gen)結(jie)底，物理(li)是一門(men)實(shi)驗(yan)科學。只有在實(shi)驗(yan)室中實(shi)現并檢驗(yan)這些基本概念，才能真的(de)(de)看到隧道盡(jin)頭的(de)(de)光。”

在(zai)這項研(yan)究中，科研(yan)人(ren)員構建了一(yi)個(ge)包含 448 個(ge)原子(zi)量(liang)子(zi)比特的“容(rong)錯”系統，并(bing)通(tong)過多種技術組合操控它們以實現錯誤檢測與糾(jiu)正。核心機(ji)制包括物(wu)理(li)糾(jiu)纏(chan)、邏輯(ji)糾(jiu)纏(chan)、邏輯(ji)魔術以及熵移(yi)除，系統還利用了“量(liang)子(zi)隱形傳(chuan)態”技術，即在(zai)無物(wu)理(li)接(jie)觸情(qing)況下，將一(yi)個(ge)粒子(zi)的量(liang)子(zi)態傳(chuan)輸到另一(yi)個(ge)粒子(zi)上。

論文第一作者(zhe)、現任加州(zhou)理(li)工學(xue)院助理(li)教授的(de)(de) Dolev Bluvstein 表示：“距離構建(jian)擁有數百(bai)萬量(liang)子(zi)比(bi)特的(de)(de)大規模量(liang)子(zi)計算(suan)機仍有很多技術挑戰，但這是首次出(chu)現概(gai)念上可擴(kuo)展的(de)(de)架構。要實現它仍需大量(liang)努力與技術發展，但我們已經(jing)越來越清楚地看到，構建(jian)容(rong)錯量(liang)子(zi)計算(suan)機是可行的(de)(de)。”

量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計算(suan)(suan)與傳(chuan)統(tong)計算(suan)(suan)的差異在(zai)于(yu)其運算(suan)(suan)單元(yuan)。經典計算(suan)(suan)機使(shi)(shi)用比特，量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計算(suan)(suan)機則(ze)使(shi)(shi)用量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比特（qubit），由于(yu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)糾纏的存在(zai)，量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比特數(shu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)增(zeng)加會帶來(lai)指數(shu)級的處(chu)理(li)能力(li)提升。理(li)論上，300 個量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比特的信息(xi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)就超(chao)過已(yi)知(zhi)宇宙中(zhong)粒子(zi)(zi)的總數(shu)。如(ru)此巨大的潛力(li)使(shi)(shi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計算(suan)(suan)有望推動藥物開(kai)發、密(mi)碼學、機器學習、人(ren)工智能、金融和材料科(ke)學等領域的突破。然(ran)而(er)，量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比特極易失(shi)去量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)態，導致錯(cuo)誤率成為量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計算(suan)(suan)的核心障(zhang)礙，因此糾錯(cuo)能力(li)至關(guan)重(zhong)要。

在這項研(yan)究中，團隊結(jie)合多種(zhong)方法構建了包(bao)含(han)數十層糾(jiu)錯(cuo)的復(fu)雜量(liang)子電路，使(shi)系統能(neng)夠(gou)將錯(cuo)誤抑(yi)制(zhi)到關鍵閾(yu)值以下 —— 即新增(zeng)量(liang)子比特能(neng)夠(gou)進一步降低錯(cuo)誤率，而(er)不是帶來更多錯(cuo)誤。

論文作者之一、哈佛大學(xue) Kenneth C. Griffin 研究(jiu)生院物(wu)理(li)學(xue)博士生 Alexandra Geim 指出：“本研究(jiu)重點在于理(li)解擴展可規模化(hua)、深度電路(lu)計(ji)算所需的關鍵機制。通過理(li)解這(zhe)一點，我們能夠去除(chu)不必要的部分、減少開銷(xiao)，更快進入實用(yong)區(qu)間。”

研究團隊使用的是中性原子(zi)(zi)(zi)量子(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特，即利(li)用無電荷(he)的銣原子(zi)(zi)(zi)，在(zai)(zai)激(ji)光作用下調整電子(zi)(zi)(zi)排布，使其編碼成量子(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特。全球研究團隊正(zheng)在(zai)(zai)探(tan)索不同的量子(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特平(ping)臺，包括各種原子(zi)(zi)(zi)、離子(zi)(zi)(zi)和超導體(ti)系(xi)。谷歌(ge) Quantum AI 團隊工程副(fu)總(zong)裁 Hartmut Neven 稱這項研究在(zai)(zai)各平(ping)臺激(ji)烈競爭的背景下“代表著(zhu)向共同目(mu)標(biao)邁出的重要一步”。

今年 9 月，Harvard-MIT-QuEra 團隊(dui)在另一(yi)篇發表(biao)于《Nature》的論文中展(zhan)(zhan)示了(le)(le)一(yi)個超過 3000 個量子(zi)(zi)比特(te)的系統，能(neng)夠連(lian)續(xu)運行兩小時以上，并克服了(le)(le)原(yuan)子(zi)(zi)流失的技術難題。隨著一(yi)系列(lie)進(jin)展(zhan)(zhan)，Lukin 認為構建量子(zi)(zi)計算機的核心要素(su)正(zheng)在逐步到位。“幾十年來我們懷抱的大夢想(xiang)，現(xian)在首次真正(zheng)變得(de)觸手(shou)可及。”

IT之家附論文地址：
//doi.org/10.1038/s41586-025-09848-5

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