清華新聞網(wǎng)1月28日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院鄧東靈副教授課題組與浙江大學(xué)物理學(xué)院王浩華、宋超研究組等合作，首次在具有長(zhǎng)程耦合器的超導(dǎo)量子處理器上實(shí)現(xiàn)了高編碼率雙變量自行車(chē)碼（Bivariate bicycle codes）的量子糾錯(cuò)實(shí)驗(yàn)演示。
圖1.“昆侖”量子處理器架構(gòu)圖以及雙變量自行車(chē)碼的非局域穩(wěn)定子提取線(xiàn)路
通過(guò)量子糾錯(cuò)技術(shù)降低邏輯量子比特的錯(cuò)誤率，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模容錯(cuò)通用量子計(jì)算的一條關(guān)鍵路徑。長(zhǎng)期以來(lái)，表面碼憑借其硬件友好的近鄰耦合需求，占據(jù)著容錯(cuò)量子計(jì)算的主流地位。然而，表面碼的低編碼率導(dǎo)致其在擴(kuò)展性上面臨著高昂的硬件資源開(kāi)銷(xiāo)。在此背景下，發(fā)展高編碼率的量子低密度奇偶校驗(yàn)碼被視為降低資源開(kāi)銷(xiāo)的重要路線(xiàn)。特別是2023年提出的雙變量自行車(chē)碼，理論表明其僅需表面碼約十分之一的物理比特開(kāi)銷(xiāo)即可達(dá)到同等糾錯(cuò)性能，為低成本量子糾錯(cuò)指明了新方向。
盡管雙變量自行車(chē)碼理論優(yōu)越，但其硬件實(shí)現(xiàn)卻面臨著極大的挑戰(zhàn)。要在二維平面的量子芯片上構(gòu)建非局域的長(zhǎng)程連接，且要并行地在這些復(fù)雜的長(zhǎng)程耦合上實(shí)現(xiàn)高保真度量子門(mén)，其工程實(shí)現(xiàn)的難度明顯高于僅需近鄰連接的表面碼。
面對(duì)這一挑戰(zhàn)，鄧東靈課題組與王浩華研究組合作，協(xié)同設(shè)計(jì)并制造了名為“昆侖（Kunlun）”的32比特超導(dǎo)量子芯片。該芯片在二維近鄰連接的基礎(chǔ)上引入了額外的長(zhǎng)程耦合結(jié)構(gòu)，以支持雙變量自行車(chē)碼所需的非局域穩(wěn)定子測(cè)量。為攻克長(zhǎng)程耦合帶來(lái)的布線(xiàn)交叉與寄生耦合等工程難題，研究團(tuán)隊(duì)在芯片制造工藝上進(jìn)行了針對(duì)性?xún)?yōu)化，在每個(gè)長(zhǎng)程耦合器上引入多達(dá)15個(gè)空氣橋跨越結(jié)構(gòu)。這一關(guān)鍵工藝不僅解決了復(fù)雜的拓?fù)洳季€(xiàn)問(wèn)題，而且有效抑制了串?dāng)_。實(shí)驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果顯示，“昆侖”量子處理器的單比特門(mén)與兩比特門(mén)的平均并行保真度分別達(dá)到99.95%和99.22%。
圖2.雙變量自行車(chē)碼的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖
基于“昆侖”量子處理器，團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)并在實(shí)驗(yàn)上演示了兩種雙變量自行車(chē)碼：[[18,4,4]] 碼和 [[18,6,3]] 碼。前者利用18個(gè)數(shù)據(jù)比特編碼4個(gè)距離為4的邏輯比特，后者編碼了6個(gè)距離為3的邏輯比特。通過(guò)執(zhí)行高效的非局域穩(wěn)定子提取線(xiàn)路，團(tuán)隊(duì)成功演示了多輪量子糾錯(cuò)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，[[18,4,4]] 碼和 [[18,6,3]] 碼的平均邏輯錯(cuò)誤率（按每輪、每邏輯比特統(tǒng)計(jì)）分別為8.91%和7.77%。此外，數(shù)值模擬預(yù)測(cè)，在所采用的噪聲模型與解碼設(shè)定下，若能將當(dāng)前芯片的物理操作錯(cuò)誤率降低至現(xiàn)有水平的一半，則可跨越雙變量自行車(chē)碼的糾錯(cuò)閾值，為未來(lái)突破盈虧平衡點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)。該工作在審稿階段獲得了同行專(zhuān)家的高度評(píng)價(jià)， 稱(chēng)其為“邁向容錯(cuò)且低開(kāi)銷(xiāo)量子計(jì)算重要而充滿(mǎn)原創(chuàng)性的一步”。
研究成果以“低開(kāi)銷(xiāo)量子糾錯(cuò)碼的演示”（Demonstration of low-overhead quantum error correction codes）為題，于1月22日發(fā)表于《自然物理》（Nature Physics）。
清華大學(xué)交叉信息研究院副教授鄧東靈，浙江大學(xué)物理學(xué)院研究員宋超、王震為論文通訊作者。上海期智研究院高級(jí)研究員魯智德，浙江大學(xué)博士生王可、張川宇為論文共同第一作者。其他作者包括浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)部分其他成員，清華大學(xué)交叉信息研究院博士后孫正之、李煒康，清華大學(xué)交叉信息研究院博士生葉奇、蔣颸、馬一瑄，以及波蘭科學(xué)院瑪麗·居里ERA Fellow沈培鑫博士。
研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，以及上海期智研究院等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41567-025-03157-4
供稿：交叉信息研究院
編輯：劉芳芳
審核：郭玲
