单量子比特运算精度创新纪录

英国牛津大学物理学家在单个量子比特的控制精度方面创下新纪录，实现了量子逻辑运算史上最低错误率：0.000015%，即每670万次运算中仅出现一次错误。这一成果相较于十年前该团队创下的纪录，精度大幅提升，向开发出强大且实用的量子计算机迈出了重要一步。

在量子计算机中，为完成实用计算，往往需要对多个量子比特重复执行数百万次运算。如果出错率过高，最终结果将毫无意义。尽管可通过量子纠错来弥补错误，但这需要大量额外的量子比特，从而增加了硬件复杂度和成本。

图：牛津大学离子阱芯片实物照片

此次的新方法以更低的错误率显著减少了对纠错的依赖，有望降低未来量子计算机的成本和体积。为了更直观地理解这一成果，团队成员打了个比方：一个人一年内被闪电击中的概率为120万分之一，而该量子逻辑门的出错概率比这还低得多，几乎可以忽略不计。

论文共同第一作者、牛津大学物理系研究生莫莉·史密斯表示，通过显著降低出错概率，他们减少了纠错所需的基础设施，这为未来量子计算机朝着更小、更快、更高效的方向发展铺平了道路。她还表示，精确控制量子比特对于其他量子技术，如时钟和量子传感器，也大有帮助。

该实验采用囚禁钙离子作为量子比特，因其长相干时间和鲁棒性，钙离子是理想的量子比特载体。与常规激光控制方案不同，牛津团队创新性地使用微波电子信号操控钙离子量子态。这种方法比激光控制更稳定，且具有多重优势：微波控制成本更低、稳定性更强，更易于集成到离子阱芯片中。值得注意的是，实验在室温环境且无磁屏蔽条件下完成，显著降低了量子计算机的工程复杂度。

本实验由牛津大学物理系Molly Smith、Aaron Leu、Mario Gely博士与David Lucas教授团队完成，大阪大学量子信息与量子生物学中心Koichiro Miyanishi博士作为访问学者参与。该研究属于英国量子计算与模拟中心（QCS Hub）项目，隶属于英国国家量子技术计划。

研究团队表示，这一成果是个重要的里程碑，但这只是更大挑战的一部分。量子计算需要单量子比特门和双量子比特门协同工作。目前，双量子比特门的错误率仍然远高于理想水平，在迄今为止的最佳演示中，错误率约为两千分之一。因此，降低双量子比特门的错误率是实现完全容错量子计算的关键。

为什么量子比特会出错？

量子比特作为量子计算的基本单元，其脆弱性源于量子叠加态和纠缠态对环境的极端敏感性，具体表现为：在宏观尺度下，量子比特通过约瑟夫森结等超导电路或中性原子阵列实现量子态存储时，极易受到电磁噪声、温度波动、材料缺陷及宇宙射线等外部干扰，导致比特翻转（0与1的误判）和相位翻转（量子态角度偏移）两类核心错误。

例如，超导量子比特的退相干过程涉及电荷涨落、磁通涨落及准粒子隧穿等微观机制，其中准粒子与库珀对的相互作用会直接破坏量子比特的能级结构，而约瑟夫森结中的热电子辐射更使能量耗散成为不可忽视的损耗源；中性原子量子比特则面临激光操控精度不足导致的微扰误差，以及原子间碰撞引发的退相干。

在此情况下，量子纠错就出现了，但其本身就存在悖论。传统表面码需将物理量子比特编码为逻辑量子比特以实现错误抑制，但这一过程需消耗数十乃至数百个冗余量子比特，硬件开销与错误关联性形成恶性循环。 

值得注意的是，宇宙射线诱发的次级粒子（如声子准粒子）可同时破坏多个相邻量子比特的纠缠态，使纠错码失效，这类空间关联错误在超导系统中每10秒即可能发生一次，严重制约容错量子计算机的规模化发展。

量子纠错的本质困境在于如何在有限物理资源下，平衡错误抑制效率与系统扩展性。目前科研机构已发展出多维度纠错技术体系，通过硬件优化、纠错编码与架构创新协同降低错误率。在硬件层面，离子阱与微波技术的突破显著提升了基础稳定性。在纠错编码领域，逻辑量子比特与新型编码方案通过冗余设计分散错误风险。在架构层面，中性原子与被动纠错架构可以从系统设计源头抑制噪声。