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图释:涉及微波腔的技术使量子比特能够纠正自身的错误。图片来源:Shruti Shirol 等人。
SCIENCE RAZOR
196微秒——没外力盯着,它边出错边自己修。不是靠纠错码死扛,而是像只漏桶,主动把漏掉的水又舀回去。
美国马萨诸塞大学阿默斯特分校团队6月15日在《物理评论X》发文:他们把量子比特寿命拉到未保护码的2.15倍,最好物理比特的1.05倍,刚刚压过盈亏平衡点。被动纠错第一次证明:保护带来的收益,总算抵掉了保护本身引入的额外错误。
这不是一次普通提升。它指向一条新路——把量子系统里最烦人的耗散,变成纠错的免费动力。
把敌人变成免费劳工
量子比特怕噪声,一点振动、杂质甚至宇宙射线都能让它崩塌。标准解法是主动纠错:用大量额外物理比特编码一个逻辑比特,不断测量、比对、修复,谷歌Willow芯片要105个物理比特才护住1个逻辑比特,硬件开销和反馈带宽把复杂度推到工业极限。
施罗尔和王琛的团队换了问题:非把耗散当敌人?能不能让系统自己“漏”掉错误?
他们把答案刻进一个微波腔。量子比特的态对应腔内光子数的奇偶。每漏一个光子——也就是一次量子错误——奇偶就翻转。他们把一颗辅助量子比特耦合在腔上,奇偶一翻,辅助比特就把这翻转认作“准许”信号,自动补回一个光子。没有监测,没有反馈,不用人管。
本质是主动造一条定向耗散通道。正常耗散把信息胡乱扔进环境,它却把错误熵引入设计好的出口排走。施罗尔的原话:“光子泄漏积累的熵,被我们工程设计出的另一种耗散模式移除。”量子比特就像天生只能往正确方向演化。王琛则点破长期困境:“为纠错你得把信息编码到多个粒子,可粒子本身会衰减,纠错一开始就带入成倍错误,必须纠得够好才能回本盈利。”此前没有被动方案跑赢过这本账。
寿命翻倍,刚好打平
实验台上,未编码物理比特寿命约187微秒,加上被动纠错,编码比特活了196微秒,是未保护码的2.15倍,是最好物理比特的1.05倍。“几乎精确地坐在盈亏平衡点上。”王琛说。
1.05倍,刚打平。却证明了一个原则:被动纠错不是边缘戏法,它有资格进容错量子计算的核心工具箱。过去被动方案总困在“减错但开销更大”的死循环里,这次零利润,意味着下一步可以净赚。
美国走到哪,中国在哪
诚实讲,这是美国大学在玻色量子纠错路线上的里程碑。孤立看没意义,要放回两国棋盘。
耶鲁2016年就率先实现微波腔玻色纠错,MIT、谷歌量子AI、AWS均投入巨量资源。麻省大学这次把玻色编码被动方案的盈亏平衡点砸实。同时,谷歌Willow在表面码主动纠错上达到“低于阈值”错误率,IBM千比特级处理器持续迭代,Quantinuum和霍尼韦尔的离子阱两比特门保真度逼近99.8%。美国在主动、被动两条腿上都有先发赛道,且开始互补融合。王琛也预测:“未来大概需要被动和主动方式互相配合。”
中国在主动纠错一侧并不落后。“祖冲之”系列超导量子处理器,浙大、南方科大等都在表面码和玻色码主动纠错上拿出过扎实结果。但被动纠错,尤其是利用耗散的结构化自纠错直接打到盈亏平衡的实验,公开信息极少。按Nature、Physical Review系列和中国物理学会期刊检索,大陆机构在微波腔光子宇称自修正方向上,还没有匹敌这次结果的工作发表。
这不是水平高低,是路线布局差异。中国强在光量子计算“九章”、超导“祖冲之”以及量子中继和卫星密钥分发的产业化猛劲。美国在基础纠错机理层面的地图更密:表面码、玻色码、拓扑、离子阱,各路线深度试错。被动纠错盈亏平衡,是这张地图上新点燃的坐标。
它真正要回答什么
表面看,一个量子比特多活了零点几倍。但大问题是:人类能否在自然噪声面前,围出一块足够大、足够稳的“量子净土”,造出第一台真正能用的容错量子计算机?
主动纠错像一堆安保维持秩序,成本高、管理精准;被动纠错像场地设计让人犯错误就站不住脚,成本低但不全面。这次证明后者可以自负盈亏,意味着未来架构师能把耗散结构硬编码进硬件层,让一部分底层错误零能耗吸收,省下带宽和硬件给更高阶的主动纠错。
一旦实用容错量子机出现,几件事跟着亮起来:
- 通信:量子纠缠安全网络可全球无法窃听,纠错效率直接牵动量子中继器存活率。
- 能源与材料:精准模拟催化、电解质、超导,容错机将成为材料科学引擎,美国能源部多个国家实验室已在储备算法。
- 医疗:蛋白质折叠与药物分子模拟根本性缩短新药研发周期,谷歌与药企正用NISQ处理器试水。
- 国防:对现有公钥密码体系的冲击是真实焦虑,容错路线的时间表最终决定这场军备竞赛的节奏。
施罗尔团队清醒地说:“我们证明了受控耗散可以成为量子系统里的强大资源,而非退相干的源头。”
196微秒,恰好打平。对一个新范式的第一次独立呼吸而言,这数字够好了。
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