时隔一年，中国量子纠错突破纠错阈值！全微波架构实现“越纠越对”

来源：光子盒

量子纠错（QEC）被认为是实现容错通用量子计算机的必要条件，其通过将逻辑量子比特编码到多个物理量子比特中实现纠错。目前，表面码是最成熟的量子纠错方案之一。通过表面码将多个物理量子比特编码成一个逻辑量子比特，原理上随着物理比特数目（即码距）的增加，逻辑比特的错误率能够不断降低。

在谷歌willow实现低于纠错阈值的量子纠错后，差不多一年的时间，我国科研团队基于107比特“祖冲之3.2号”量子处理器，结合“全微波量子态泄漏抑制架构”，实现了码距为7的表面码逻辑比特，逻辑错误率随码距增加显著下降，错误抑制因子达到1.4。

在量子纠错的术语中，错误抑制因子意味着逻辑错误随码距增加而受抑制，且错误抑制因子越大，抑制效果越呈指数级增强。这表明，中国的量子纠错在纠错阈值之下，实现了“越纠越对”，为更先进的量子纠错实现铺平了道路。

12月22日，中国科学技术大学、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院上海科学研究中心、合肥国家实验室、科大国盾量子技术股份有限公司、河南省量子信息与量子密码重点实验室、济南量子技术研究院、西安电子科技大学组成的研究团队在《Physical Review Letters》期刊上发表题为“Experimental Quantum Error Correction below the Surface Code Threshold via All-Microwave Leakage Suppression”（通过全微波泄漏抑制实现表面码阈值以下的实验量子纠错）的研究论文，Tan He、Weiping Lin、Rui Wang、Yuan Li为论文共同第一作者，潘建伟院士、彭承志院士、朱晓波、陈福升、陆朝阳等亦参与此项工作。

同时，该成果还以封面论文和“编辑推荐（Editors’Suggestion）”的形式发表于《Physical Review Letters》期刊，美国物理学会《物理》栏目进行了专题报道。审稿人对该工作给予了高度评价，认为这是一项“雄心勃勃且令人印象深刻的研究”，“确立了泄漏抑制的系统蓝图”。

全微波量子态泄漏抑制架构

2024年底，谷歌开发了直流脉冲量子态泄漏抑制方法，基于105比特“willow”处理器实现了码距为7的表面码逻辑比特，首次实现了低于纠错阈值的量子纠错。这一方法虽有效，但存在明显的缺点，它要求谐振腔频率必须低于量子比特频率，这限制了处理器架构设计的灵活性，且在大规模扩展时，所需的低频控制线布线复杂，硬件开销巨大。

我国科研团队此次的突破性贡献在于，他们提出并完整验证了一套全新的“全微波泄漏抑制架构”，在“祖冲之3.2号”处理器上实现了更高效、约束更少的泄漏管理。

• “祖冲之3.2号”处理器

“祖冲之3.2号”处理器拥有107个量子比特，其核心性能参数为此次突破奠定了坚实基础：

-平均单比特门错误率：0.089%

-平均两比特CZ门错误率：0.543%

-快速并行读取错误率（~300ns内）：0.95%

这些指标的综合表现，使得物理错误率已具备了冲击表面码纠错阈值的条件。

• 全微波泄漏抑制架构

“全微波泄漏抑制架构”，即将面向数据量子比特的泄漏减少单元（LRU）与面向辅助量子比特的快速无条件重置（RST）有机集成，形成了一套无需额外硬件开销、兼容规模化扩展的纠错解决方案。

该架构的核心创新在于针对不同类型量子比特的特性，设计了互补的泄漏处理机制。

对于数据量子比特，研究团队采用f-LRU模块。通过精准的微波驱动激活特定边带跃迁，将泄漏到非计算态（|f⟩）的量子布居数通过谐振器耗散通道，高效转移回计算子空间（|e0⟩），整个过程无需破坏编码信息，实现“纠错不损信”。

对于辅助量子比特，研究团队设计了RST模块。先通过与数据量子比特相同的f-LRU过程清除|f⟩态泄漏，再通过额外的e-RST步骤将激发态（|e0⟩）布居数进一步转移至基态（|g0⟩），实现辅助量子比特的完全重置，为下一轮纠错周期做好准备。这种差异化设计既保证了数据量子比特的信息完整性，又确保了辅助量子比特的洁净度，从源头阻断了泄漏误差的累积。

图：量子处理器架构和全微波泄漏减少方案。(a)量子处理器示意图（从107个量子比特中选取97个，可实现距离7、5、3的表面码）；(b)传输子量子比特能级图（标注基态g、激发态e、泄漏态f及谐振器光子数）；(c)参数磁通调制原理（微波驱动对量子比特频率的调制机制）；(d)表面码稳定器单周期时序图（展示LRU、RST与测量、门操作的并行集成）。

直流脉冲量子态泄漏抑制vs全微波量子态泄漏抑制

泄漏抑制模块的设计直接影响量子处理器的硬件复杂度与资源利用率，两者存在显著差异。

谷歌的核心方案是数据量子比特泄漏消除（DQLR），通过基带磁通脉冲动态调节量子比特频率，使其暂时与“有损耗的读出谐振器”共振；利用谐振器的高衰减率（κᵣ），通过SWAP量子操作将数据量子比特中泄漏到|f⟩态的粒子数转移到谐振器，最终耗散到环境中。为实现有效共振，必须满足谐振器频率低于量子比特频率（f_res

同时，为实现数据量子比特泄漏消除，谷歌在表面码架构中引入专用泄漏消除量子比特，形成“数据量子比特-测量量子比特-泄漏消除量子比特”的三元结构。

我国的科研团队将泄漏抑制模块LRU与RST完全集成到表面码固有操作中，通过微波驱动激活特定边带跃迁，将泄漏粒子数“送回”计算子空间（|g⟩-|e⟩），而非直接耗散。这一架构无需依赖磁通脉冲或频率共振耗散，仅通过微波调控即可完成，且与量子比特-谐振器频率关系无关（无需f_res 。相较于谷歌的方案而言，无任何额外空间或时间开销，实现零冗余设计。具体来看：

时间上，数据比特的LRU操作与辅助比特的测量（M）和RST操作完全并发执行。同时，数据比特在此期间还受到动态解耦序列的保护。这意味着，整套强大的泄漏抑制机制被无缝嵌入到表面码的稳定子测量周期中，没有增加任何额外的循环时间。

空间上，该方案复用已有的读出谐振腔作为耗散通道，无需引入任何专用的“泄漏移除比特”或额外硬件，极大节省了芯片空间。

校准上，面对97个量子比特大规模并行操作带来的频率拥挤和微波串扰挑战，研究团队开发了高效的标定协议。通过将LRU/RST的驱动频率作为新的约束条件，与门操作、读出频率一同进行全局优化分配，并采用时序解耦的脉冲结构，实现了全芯片范围内高性能泄漏抑制参数的快速、精确标定。

验证阈值突破

研究团队基于“祖冲之3.2号”，采用方形晶格排列的频率可调传输子量子比特，通过可调耦合器实现近邻连接，专门针对表面码操作优化设计。本研究选取了97个高性能量子比特，构建了完整的距离为7的表面码系统，同时包含多个距离为3和5的子系统，用于对比验证纠错性能的标度特性。

大规模量子系统中，微波串扰和频率拥挤是制约泄漏抑制效果的关键难题。为解决这一问题，研究团队开发了一套高效的规模化校准协议。

一方面，将LRU和RST的驱动频率纳入全局频率优化体系，与单量子比特门、双量子比特门及读出频率协同调整，彻底避免频率冲突；另一方面，将RST的两步跃迁解耦为独立的连续阶段，通过分步校准实现控制参数的精准调谐，显著降低了波形复杂度和串扰影响。

对于辅助量子比特的RST模块，研究团队通过两阶段校准，将|e⟩态和|f⟩态的残余布居数分别抑制到7×10⁻³和2×10⁻⁴以下。

对于数据量子比特的LRU模块，针对长脉冲驱动的动力学特性，采用“目标抑制率”校准准则，实现了95%的泄漏抑制效果，既保证了纠错性能，又避免了过度驱动引入的额外误差。

图：RST和LRU的校准与基准测试。(a)f-LRU校准流程（粗扫频移拟合、细扫幅度优化）；(b)e-RST校准流程；(c)并行基准测试结果（97个量子比特的残余泄漏布居数随轮次变化）；(d)交错RB验证（LRU+DD与DD-only的误差对比）。

实验结果显示，全微波架构的泄漏抑制效果超出预期：

在40个量子纠错周期后，系统的平均泄漏布居数被抑制至6.4(5)×10⁻⁴，较无抑制方案降低了72倍，成功阻断了泄漏误差的时空扩散。更重要的是，泄漏的有效抑制使得系统突破了纠错阈值。距离为7的表面码实现了1.40(6)的逻辑误差抑制因子（Λ），这意味着当编码距离从d增加到d+2时，逻辑误差率会被抑制1.4倍，彻底逆转了未抑制泄漏时Λ<1的误差放大趋势。

图：距离为7的表面码执行过程中的泄漏抑制。(a)不同缓解策略（无抑制、仅LRU、仅RST、完全抑制）下，数据/辅助量子比特的平均泄漏布居数随QEC周期变化曲线；(b)泄漏布居数的空间分布图（对比无抑制与完全抑制的时空扩散差异）。

研究团队还通过对比不同编码距离的性能验证了标度特性。距离为3、5、7的表面码逻辑误差率分别为1.532(2)%、1.012(2)%和0.783(3)%，呈现出单调递减的趋势，这正是阈值以下运行的核心特征，即逻辑误差率随编码规模扩大而持续降低。

实验中，逻辑保真度的衰减遵循单指数规律，表明每个纠错周期的逻辑误差率保持稳定，为长时间量子存储和复杂量子计算奠定了基础。

误差预算分析显示，在采用全微波泄漏抑制方案后，泄漏误差已不再是系统的主导误差源，当前性能主要受限于双量子比特CZ门的不保真度。这一发现为后续优化指明了方向，也证明了泄漏抑制是突破纠错阈值的关键所在。

图：泄漏缓解提升表面码逻辑性能。(a)不同缓解策略下距离7表面码的逻辑保真度随QEC周期变化；(b)距离3、5、7表面码（完全抑制）的逻辑保真度曲线；(c)逻辑误差率随表面码距离的标度拟合（实验值Λ=1.40，模拟值Λ=1.56）；(d)系统误差预算分析（泄漏、CZ门、测量等误差源贡献占比）。

量子纠错的下半场

跨越纠错阈值是量子纠错的第一步。我国科研团队的这项研究成果证明，中国在量子纠错这一核心赛道上，已经具备了与全球顶尖团队同步突破、同台竞技的实力，为我国抢占量子科技制高点提供了重要支撑。

此前，谷歌采用直流脉冲量子态泄漏抑制方法，验证了通过主动泄漏抑制实现阈值下运行的可行性，确立了纠错路线图。

但是现在，我国科研团队提出的全微波量子态泄漏抑制架构，在达到同等里程碑的同时，提供了一条硬件效率更高、可能更利于百万比特级扩展的替代路径，构建了规模化量子纠错的“通用蓝图”。

可见，“越纠越对”的时代已经开启，容错量子计算的来临，比我们预想的更近。

此外，论文显示，这项成果由来自7家科研单位的超百名科研人员共同完成，凸显了我国科研人员团结一致、共同为量子科技发展的钻研奉献精神，相信在他们的努力下，我国的量子科技将继续加速前进。

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/rqkg-dw31

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/WM9J1OSquzo4fMVApSBjnA

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/s_Oy8hSKzY6K2MTu7EgKNA

[4]https://www.nature.com/articles/s41586-024-08449-y

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