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美國哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次在一套集成量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算與量子糾錯(cuò)所需的全部關(guān)鍵要素，向構(gòu)建實(shí)用的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)邁出了決定性一步。最新成果發(fā)表于新一期《自然》雜志。

量子計(jì)算機(jī)可在單原子層面編碼信息，但長期受到量子糾錯(cuò)這一核心瓶頸問題限制。哈佛團(tuán)隊(duì)此次構(gòu)建的新型量子系統(tǒng)，能夠在關(guān)鍵性能閾值以下檢測并清除錯(cuò)誤。從多項(xiàng)性能指標(biāo)來看，這些實(shí)驗(yàn)達(dá)到迄今任何量子平臺(tái)的最高水平，為突破量子糾錯(cuò)瓶頸提供了全新路徑。

量子糾錯(cuò)被視為量子計(jì)算研制的關(guān)鍵門檻。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)利用0和1編碼信息不同，量子計(jì)算機(jī)依托量子疊加與糾纏等特性，理論上能在數(shù)量極少的量子比特中存儲(chǔ)指數(shù)級(jí)的信息。一個(gè)由約300個(gè)量子比特組成的系統(tǒng)，其信息容量超過已知宇宙中的粒子總數(shù)。但量子比特極易發(fā)生退相干并丟失信息，因此降低錯(cuò)誤率成為發(fā)展大型量子系統(tǒng)的前提。

研究團(tuán)隊(duì)此次展示了一個(gè)由448個(gè)中性原子量子比特組成的“容錯(cuò)”系統(tǒng)，能夠通過物理糾纏、邏輯糾纏、熵移除等機(jī)制實(shí)時(shí)監(jiān)測并修正錯(cuò)誤，并利用“量子隱形傳態(tài)”等技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的無接觸傳輸。

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了包含數(shù)十層糾錯(cuò)步驟的深度量子電路，將錯(cuò)誤率壓低至關(guān)鍵閾值以下。在這一閾值范圍內(nèi)，繼續(xù)增加量子比特不僅不會(huì)引入額外誤差，反而能進(jìn)一步抑制錯(cuò)誤。這一結(jié)果被視為量子糾錯(cuò)領(lǐng)域30年來的重要進(jìn)展。

谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)工程副總裁哈特穆特·內(nèi)文評(píng)價(jià)稱，該成果出現(xiàn)在全球量子比特平臺(tái)競爭“極為激動(dòng)人心”的階段，“向構(gòu)建大規(guī)模、實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)邁出了重要一步”。