中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、朱曉波、彭承志和陳福升副教授等，基于超導(dǎo)量子處理器“祖沖之3.2號(hào)”在碼距為7的表面碼上實(shí)現(xiàn)了低于糾錯(cuò)閾值的量子糾錯(cuò)，演示了邏輯錯(cuò)誤率隨碼距增加而顯著下降。這一成果使得我國(guó)達(dá)到了“低于閾值，越糾越對(duì)”的關(guān)鍵里程碑，同時(shí)也開(kāi)辟了一條較美國(guó)谷歌公司更為高效的“全微波控制”新路徑，為未來(lái)大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算奠定關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。12月22日，該成果以封面論文和“編輯推薦”的形式發(fā)表于國(guó)際物理學(xué)知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》[1]。
實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)的必要條件是通過(guò)量子糾錯(cuò)抑制量子比特的錯(cuò)誤率以滿(mǎn)足大規(guī)模集成的要求。表面碼是目前最成熟的量子糾錯(cuò)方案之一。通過(guò)表面碼將多個(gè)物理量子比特編碼成一個(gè)邏輯量子比特，原理上隨著物理比特?cái)?shù)目（即碼距）的增加，邏輯比特的錯(cuò)誤率能夠不斷降低。
然而，量子糾錯(cuò)需要引入大量額外的量子比特和量子門(mén)操作，導(dǎo)致更多的噪聲源和錯(cuò)誤通道。如果物理量子比特的原始錯(cuò)誤率過(guò)高，增大糾錯(cuò)碼距帶來(lái)的額外錯(cuò)誤反而會(huì)淹沒(méi)糾錯(cuò)帶來(lái)的收益，導(dǎo)致“越糾越錯(cuò)”。在所有錯(cuò)誤類(lèi)型中，“泄漏錯(cuò)誤”尤為致命——量子比特會(huì)脫離預(yù)定的計(jì)算能級(jí)，進(jìn)入無(wú)法通過(guò)表面碼直接糾正的無(wú)效狀態(tài)。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，泄漏錯(cuò)誤的累積效應(yīng)將成為阻礙糾錯(cuò)性能提升的主要瓶頸。
因此，全球量子糾錯(cuò)研究的焦點(diǎn)在于不斷降低物理比特的各類(lèi)錯(cuò)誤水平，特別是抑制泄漏錯(cuò)誤，使系統(tǒng)的整體操控精度突破一個(gè)嚴(yán)苛的“糾錯(cuò)閾值”。只有跨越這一閾值，量子糾錯(cuò)才能產(chǎn)生正向凈收益，實(shí)現(xiàn)“越糾越對(duì)”的理想效果。實(shí)現(xiàn)“低于閾值”的量子糾錯(cuò)，因而成為衡量量子計(jì)算系統(tǒng)能否從實(shí)驗(yàn)室原型走向?qū)嵱没年P(guān)鍵分水嶺。
中國(guó)科大超導(dǎo)量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上較早布局表面碼量子糾錯(cuò)研究。2022年，研究團(tuán)隊(duì)基于“祖沖之2號(hào)”超導(dǎo)量子處理器率先實(shí)現(xiàn)了碼距為3的表面碼邏輯量子比特，首次驗(yàn)證了表面碼方案的可行性[2]。2023年，谷歌實(shí)現(xiàn)了碼距為5的表面碼糾錯(cuò)。受限于當(dāng)時(shí)較高的物理量子比特各類(lèi)錯(cuò)誤水平，以上工作都未能真正突破糾錯(cuò)閾值[3]。
2025年2月，谷歌團(tuán)隊(duì)利用其“垂柳”處理器，開(kāi)發(fā)了一種基于直流脈沖的量子態(tài)泄漏抑制方法，在碼距為7的表面碼上實(shí)現(xiàn)了低于閾值的邏輯比特[4]。然而，該技術(shù)路線(xiàn)對(duì)量子處理器的芯片架構(gòu)（如比特間連接方式）施加了較多約束。同時(shí)，隨著量子比特?cái)?shù)擴(kuò)展，這種方案在極低溫環(huán)境下需要復(fù)雜的布線(xiàn)，硬件資源開(kāi)銷(xiāo)極大。
2025年底，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)基于107比特“祖沖之3.2號(hào)”量子處理器，提出并成功實(shí)踐了一種全新的“全微波量子態(tài)泄漏抑制架構(gòu)”。在“祖沖之3.2號(hào)”處理器本身具備的高精度單雙比特門(mén)操作、長(zhǎng)相干時(shí)間等優(yōu)異性能基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合全微波量子態(tài)泄漏抑制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了碼距為7的表面碼邏輯比特。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，邏輯錯(cuò)誤率隨碼距增加顯著下降，錯(cuò)誤抑制因子達(dá)到1.4，證明了系統(tǒng)已工作在糾錯(cuò)閾值之下，成功達(dá)到了“越糾越對(duì)”的目標(biāo)。同時(shí)，全微波量子態(tài)泄漏抑制架構(gòu)具有天然的頻分復(fù)用特性，在硬件效率和擴(kuò)展性上較谷歌的技術(shù)路線(xiàn)具有顯著優(yōu)勢(shì)，為未來(lái)構(gòu)建百萬(wàn)比特級(jí)量子計(jì)算機(jī)提供了一種更具優(yōu)勢(shì)的解決方案。
圖1. 左：隨著碼距增從3（橙色框內(nèi)比特）增大到5（紅色框內(nèi)比特）再到7（所有彩色標(biāo)注比特），右：邏輯錯(cuò)誤率指數(shù)下降
審稿人對(duì)該工作給予高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為這是一項(xiàng)“雄心勃勃且令人印象深刻的研究”（an ambitious and impressive study），并指出該工作“確立了泄漏抑制的系統(tǒng)藍(lán)圖”（a blueprint for leakage management）。
該研究得到國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院及安徽省、上海市、山東省、合肥市、濟(jì)南市等的支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/rqkg-dw31
美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics欄目報(bào)道鏈接：https://physics.aps.org/articles/v18/200
（科研部、物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院）
參考資料：[1].Tan He, Weiping Lin, Rui Wang et al., Experimental Quantum Error Correction below the Surface Code Threshold via All-Microwave Leakage Suppression, Physical Review Letters 135, 260601 (2025).
[2].Youwei Zhao, Yangsen Ye, He-Liang Huang et al., Realization of an Error-Correcting Surface Code with Superconducting Qubits, Physical Review Letters 129, 030501 (2022).
[3].Google Quantum AI, Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit, Nature 614, 676 (2023).
[4].Google Quantum AI and Collaborators, Quantum error correction below the surface code threshold, Nature 638, 920 (2025).
