对话中科院院士俞大鹏：实现量子纠错优越性意味着什么？｜中国科学十大进展

近日，国家自然科学基金委员会发布2023年度“中国科学十大进展”。其中，中国科学院院士俞大鹏团队领衔国内其他研究团队在量子纠错领域取得突破性重大实验进展“玻色编码纠错延长量子比特寿命”入选。

专访·嘉宾

俞大鹏 中国科学院院士、南方科技大学讲席教授

中国科学院院士、南方科技大学讲席教授俞大鹏。受访者供图

什么是量子计算？

“量子计算是挑战人类操控微观世界极限能力的一项世纪系统工程。”在中国科学院院士俞大鹏看来，数字时代的一个显著特点就是算力定义一切、算力决定一切。一个无法回避的现实是，现在的算力水平已接近天花板。“我们呼唤一种颠覆性算力，以应对每两年翻一番的大数据。”

俞大鹏研究团队以精准预测台风移动轨迹这一气象难题，向封面新闻记者举例称，台风移动轨迹受各种因素影响，这些数量庞大的变量因素产生的数据已超出经典计算机的运算能力，所以气象预测存在一定的偏差。

随着传统计算模式的增长正趋近瓶颈，需要找到一个新的计算模式，解决传统计算无法解决的问题，而这个新的计算模式就是量子计算。

量子计算机有何不同？

对突破性算力的现实需求，让量子计算机走向时代的前台。与传统计算机相比，量子计算机到底有何不同？

俞大鹏说，“我们日常用的电脑，不管是屏幕上的图像还是输入的文字，在硬件电路中都会转换为0和1再进行传输、运算和存储。但量子计算机则以量子的状态作为计算形式。”

超导量子计算原型机。图据新华社

量子计算机有多强？俞大鹏表示，以“九章”量子计算机为例，它处理特定问题的速度比世界排名第一的超级计算机还要快100万亿倍。“量子计算机可以比传统计算机更有效地处理大量复杂的数据集。”

为何要进行量子纠错？

经典数字电子计算机的错误率非常低，可通过将信息复制多份重复测量的方式来检测并修复错误。而量子计算机不仅具有远高于数字电子计算机的错误率，且由于量子不可克隆原理的限制，无法通过简单备份的方式检查和修正错误。“无法纠错的量子计算机运行结果是不可信的，量子纠错是真正实现通用量子计算的必经之路。”俞大鹏说。

“目前，超导量子比特的错误率离实用化还相差十多个数量级，需要进行量子纠错以构建错误率更低的逻辑量子线路。”俞大鹏表示，无法产生正的量子纠错增益，是量子纠错技术的最大瓶颈。量子纠错旨在充分利用无限维希尔伯特空间的冗余度来保护逻辑量子比特免受噪声的干扰。通过对错误的实时探测和纠正，逻辑量子比特的相干寿命将得以延长。

量子纠错过程示意图。受访者供图

在传统量子纠错方案中，编码一个逻辑量子比特需要多个冗余的物理比特，不仅需要消耗巨大的硬件资源，而且发生错误的通道数会随着比特数增加而显著增多，可能呈现“越纠越错”的局面。如何使编码保护的逻辑量子比特的寿命超过体系中最佳物理量子比特，超越盈亏平衡点，是衡量量子纠错是否有效的关键判据。

为何要进行量子纠错？

据了解，俞大鹏院士领衔的科研团队展示了一种基于超导电路量子电动力学架构的量子纠错方法，其核心技术是将逻辑量子比特二项式编码在一个与辅助超导比特色散耦合的微波谐振腔的离散光子数态中，其编码子空间与错误子空间严格正交。该研究展示了量子纠错的优越性，表明硬件高效的离散变量编码在容错量子计算中的潜力。

“我们在国际上首次利用离散变量编码的逻辑量子比特，延长量子信息的存储时间，突破了盈亏平衡点。”俞大鹏表示，这项里程碑式的成果，标志着从含噪声的量子时代步入纠错量子时代。

南方科技大学深圳国际量子研究院超导量子计算课题组。受访者供图

国际学术期刊《自然》杂志审稿人对该研究也给予高度评价，其中一位审稿人认为，实现突破盈亏平衡点的研究是容错量子计算的一个重大里程碑；另一位审稿人则评价，该结果实现重要突破，整体实验能力接近国际先进水平。

实验突破将影响哪些领域？

“玻色编码纠错延长量子比特寿命”研究突破的重要意义在于，展示了量子纠错的优越性，表明了硬件高效的离散变量编码在容错量子计算中的潜力，预示着量子计算发展迈向新阶段。

这段评价，来自本届“中国科学十大进展”评选专家委员会。

实现突破盈亏平衡点将影响哪些领域？俞大鹏介绍，首先在量子计算领域，该研究展示实现低错误率逻辑量子比特的可能性。推动对可纠错逻辑量子比特的容错量子门操作的研究，将为量子计算机的发展奠定重要基础。

除此之外，量子纠错优势将推动可纠错的逻辑量子比特在量子通信、量子模拟和量子计量等方向的发展。该研究为其他包含玻色模式的体系中设计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的协同发展。

他表示，量子计算不仅能应用于日常通信，也可用于水、电、煤气等能源供给和民生网络基础设施的通信保障，还可应用于金融、商业等领域。

展望未来，俞大鹏认为，量子科技在各大领域都显示出非凡的应用能力。量子计算有望为药物研发、能源勘探、金融分析、气象预报等大规模计算提供全新方案；量子测量发挥测量精度、灵敏度的优势，有望在科研、医疗、能源、灾害预防等领域大显身手；量子通信融合量子计算技术，构成高速、安全的“量子互联网”，与人工智能、区块链等技术相结合，可为人类生活增添无限可能。