量子计算被视为下一代信息技术的重要方向之一。
它利用量子叠加、纠缠等规律进行信息处理,理论上可在复杂优化、材料与分子模拟等任务上展现显著优势。
然而,从实验室走向可用系统,量子计算长期面临一个“卡脖子”难题:量子比特对热噪声与环境微扰高度敏感,误差在计算过程中难以避免,且容易在系统内传播累积,导致规模一扩大就难以保持可靠性。
问题在于,想要让量子计算真正可用,必须依靠量子纠错。
主流思路是将一个逻辑量子比特的信息分散编码到多个物理量子比特上,并持续进行测量与校正。
但量子纠错并非“越多越好”,因为每增加一次检测、每引入一条控制线与一次操控脉冲,都可能带来新的误差来源。
长期以来的实践表明,在某个临界条件之前,纠错过程本身可能引入的错误大于其消除的错误,系统反而更不稳定。
学界据此提出“容错阈值”概念:只有当底层器件的误差率、控制精度、噪声水平等综合指标达到一定标准后,纠错才能实现净减错,系统规模越大越稳定。
这一阈值能否跨越,被视为量子计算从“可演示”迈向“可扩展”的分水岭。
此次进展的关键意义,正在于跨越这一关口。
研究团队基于107比特超导量子处理器“祖冲之3.2号”,在表面码纠错框架下构建出码距为7的逻辑量子比特,并在实验中观察到随着纠错规模扩大,整体错误率出现下降,错误抑制因子达到1.4,表明系统已经进入阈值以下的工作区间——纠错不再削弱稳定性,而是开始带来持续收益。
这意味着,在工程条件满足的前提下,通过增加编码规模与纠错轮次,量子计算的可靠性有望按可预期方式提升,为实现更复杂的量子算法运行奠定基础。
原因层面看,这一成果不仅在于“做到阈值以下”,更在于所选择的技术路径具有工程上的针对性。
量子纠错的一大难点是“泄漏错误”,即量子比特从计算所需的两能级子空间偏离到更高能级,进而造成难以被常规纠错规则捕捉的隐蔽误差。
此前国际上有研究通过更复杂的硬件控制方式抑制泄漏,但往往对芯片结构与布线提出更高要求,在超低温环境中增加线路与器件复杂度,也会抬升系统扩展成本与工程风险。
相较之下,本次研究采用全微波控制方案抑制泄漏错误,在不显著增加硬件复杂度的情况下实现关键改进。
由于微波信号具备复用潜力,多路信号可沿同一导线传输,这一路线在布线、控制资源占用等方面更具扩展性预期,为后续扩大规模提供了更可控的工程起点。
从影响看,跨越容错阈值的直接意义,是为“可扩展容错量子计算”提供了实证支撑。
量子计算的竞争不只比拼单次演示的“峰值指标”,更比拼能否建立一条可复制、可迭代的工程路线:在同等或可承受的资源投入下,随着规模扩大,系统可靠性能够持续改善。
此次结果显示,关键指标已从“纠错收益不足”转向“纠错收益为正”,将研究重心从单点突破引向体系化优化,包括量子芯片一致性、控制电子学、低温互连、误差建模与解码算法等全链条协同。
对策层面,面向更大规模系统,仍需在若干方向持续攻关:其一,继续降低物理量子比特本征误差,提高门操作与测量的稳定性,以扩大阈值以下的“裕度”;其二,强化对泄漏等非理想误差的抑制与诊断,实现更精细的噪声表征与反馈控制;其三,优化表面码解码与实时纠错流程,提升纠错速度与资源效率;其四,围绕可制造性与系统工程能力推进标准化与模块化设计,降低大规模集成对布线、散热与控制资源的压力。
上述工作需要材料、微纳加工、低温工程、电子学、算法与软件等多学科协作,形成从器件到系统的闭环迭代。
前景方面,容错阈值的跨越并不意味着通用量子计算已经“近在眼前”,但它标志着一条关键路线开始具备可扩展的工程逻辑:只要持续把底层误差压到阈值以下,并以更高效的控制架构减少系统复杂度,规模化的容错计算就具有可实现性。
下一阶段竞争焦点预计将从“能否跨越阈值”转向“以多快速度、以多高资源效率扩大逻辑量子比特数量”,并在特定应用场景上率先形成可验证的能力优势。
从理论探索到技术落地,中国科学家在量子计算领域的持续突破,既彰显了基础研究的深厚积累,也体现了工程化创新的务实精神。
随着量子纠错技术的成熟,人类距离实现“量子优越性”的目标更近一步。
这场关乎未来科技制高点的竞赛,正在重新定义全球创新格局。