运算速度提升1000倍，量子计算再进一步

到目前为止，量子计算机受限于对错误与外界干扰极高的敏感度。量子运算耗时越长，出现计算错误的风险就越高。如今，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员研发出一种新方法，可让多种高级量子运算的执行速度提升1000倍以上。这项突破解决了该领域一个广为人知的瓶颈，为容错量子计算铺平了道路。

外界预期，量子计算机将在药物研发、能源系统、密码学、人工智能以及物流等多个领域带来重大突破。但要释放这份潜力，量子计算机的可靠性必须远高于当前水平。最大难题之一，就是量子计算机处理信息时产生的计算错误。即便是极其微弱的环境扰动，例如电噪声、宇宙辐射或是过热，都有可能触发这类错误。

传统计算机同样会遭遇这类错误，但成熟的纠错技术可以快速发现并修复错误。然而对量子计算机来说，这项挑战要艰巨得多。瑞典查尔姆斯理工大学应用量子物理研究员、该论文第一作者Lei Du表示：“量子计算机的基础单元是量子比特（qubit），它极其敏感，哪怕微小扰动都会让量子态偏离目标，造成信息丢失。如果错误在被修正前大量累积，整个计算过程就会失败。”

采用新型存储方案，提升防护能力

为打造稳定性更强、可容错的量子计算系统，研究人员正在探索保护脆弱量子信息的新手段，玻色量子编码就是一条颇具前景的技术路线。

查尔姆斯理工大学量子技术研究员、论文共同作者Tangyou Huang解释道：“玻色编码并非将量子信息存储在单个量子比特内，而是把信息编码在超导电路中的微波场里。已有研究证明，该方式能更好抵御特定类型的错误。”

量子运算提速千倍

基于玻色量子编码的量子运算，向来难以生成与控制。过去的方案需要一步步构建量子态，驱动量子系统完成数千次重复驱动周期，整个过程十分耗时，也更容易产生错误。运算过程耗时越久，外界干扰破坏计算的风险就越大。

现在，查尔姆斯理工大学的研究者Lei Du和Tangyou Huang提出了全新方案。他们不再分步搭建量子态，而是设计出一套方法，能够大幅加快这类量子运算。

Lei Du称：“我们的方法证明，多种玻色态量子运算只需单次驱动周期就能完成，而此前则需要数千个周期。这套方案运算更快、效率更高，还能降低在运算结束前信息被干扰破坏的风险。这是迈向容错量子计算机的重要一步。”

攻克容错量子计算道路上的关键瓶颈

这套方案的核心是量子晶格门，由该研究团队近期提出的一套全新通用量子门集合。它就像快捷指令，能够在单次驱动周期内完成目标运算，简化流程，同时降低出错概率。

Tangyou Huang说：“你可以类比搭建大型乐高城堡。不用一块一块拼装、中途容易出错；量子晶格门就像预制好的乐高模块，可以快速、高效地拼接。”

该方法尤其适配超导量子计算机，它也是全球大规模量子计算竞赛中的主流技术路线。查尔姆斯理工大学也正在采用这项技术，研发一台100量子比特的量子计算机。

Tangyou Huang表示：“我们方案的一大优势，是能够在现有超导量子电路平台上实现。我们已经在和查尔姆斯校内的同事探讨实验落地方案，希望不久后就能完成这套方法的实验演示。”

Lei Du说：“我们的成果解决了本领域一大瓶颈：如何快速、可靠地制备和操控纠错量子态，这类量子态将在未来量子计算机中发挥关键作用。”

关于玻色编码、量子晶格门与弗洛凯控制的补充说明

玻色量子编码将量子信息存储在微波谐振腔、光学谐振腔等系统的量子态中，而非单个量子比特。这类编码被视为量子纠错的promising方案，自带针对特定错误的防护能力。

处理量子信息需要执行量子运算，量子晶格门是近期提出的一组基础单元，用于操控玻色量子态。借助这类量子门，能够实现大量更复杂的量子运算。

弗洛凯控制是实现这类运算的手段之一，利用周期性控制信号驱动量子系统。以往基于弗洛凯的方案大多流程缓慢，需要大量驱动周期。而查尔姆斯理工大学这项新方法，可直接在单次驱动周期内实现量子晶格门，部分运算速度提升1000倍以上。