耶鲁大学的研究人员在量子物理学领域取得了重大突破，使用量子纠错将量子比特的寿命延长了2.3倍。
这一成就验证了量子计算的基石假设——量子纠错不仅仅是一个原理验证演示，而是迈向实用量子计算的重要一步。相关研究以“Real-time quantum error correction beyond break-even”为题，发表于《Nature》杂志。
01. 理论纠错，加速退相干
在耶鲁大学的 Michel Devoret 领导的一项实验中，量子纠错首次被用于大幅延长量子比特的寿命。
量子纠错是一个保护量子信息免于退相干的过程，在这个过程中，存储在量子比特中的信息由于与周围环境的相互作用而迅速失去其量子特性。
理论上于 1995 年发现的量子纠错提供了一种对抗这种退相干的方法。它采用冗余，通过在比原则上代表单个量子比特所需的更大的系统中对其进行编码来保护信息的量子比特。
然而，这个更大的系统使得周围环境的影响更具侵入性，编码的量子比特也更加脆弱。由于这种影响，以及执行纠错所需的额外组件的复杂性，这个过程在实践中从未能够明确地延长量子比特的寿命。
事实上，仅用未校正的量子比特收支平衡是一件罕见的事情。与理论承诺相反，在大多数实验中，纠错加速了量子信息的退相干。
02. 首次，纠错延长寿命
在实验中，Devoret 的团队将量子信息的寿命延长了2.3倍，他们的纠错量子比特寿命达 1.8 毫秒以上。
量子系统非常脆弱，而量子纠错提供了一种对抗退相干的方法。然而，由于编码信息的量子比特需要更大的系统，这个过程在实践中从未能够明确地延长量子比特的寿命。
研究人员通过采用机器学习、改进的 ancilla transmon 制造技术以及新颖的网格代码 QEC 协议等方法，使系统更加冗余并主动检测和纠正量子错误可以提高量子信息的弹性。
Devoret 表示：“我们首次证明，让系统更加冗余并主动检测和纠正量子错误可以提高量子信息的弹性，我们的实验表明，量子纠错是一种真正实用的工具。这不仅仅是一个原理验证演示。”
量子力学的奠基人之一John Preskill也高度关注这一工作突破，发文称：关于使用量子纠错将量子比特的寿命延长2.3倍，“要实现数百万或数十亿的增益仍有很长的路要走。但是，达到十亿的旅程始于‘1’。”
用量子纠错将量子比特的寿命加倍的能力是量子物理学领域的一项重大突破。这一成果验证了量子计算的一个基石假设，证实了量子纠错在实践中的有效性，为量子计算的实用化铺平了道路。
引用：
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-023-05782-6
