不用反复测量，量子比特也能「自动纠错」：中科大跨过关键门槛

编辑｜陈彦杉

给量子比特纠错，操作越多，就一定能让量子信息保存得更久吗？

未必。量子比特容易受到环境噪声干扰，但为了检测和修复错误而增加的测量、控制操作，也可能引入新的误差。如果一轮轮纠错之后，信息反而比原来保存得更短，纠错就没有带来实际收益。

10月26日，中国科学技术大学公布了一项量子纠错实验成果。林毅恒、邹长铃教授等合作，利用两颗钙离子实现多轮自动量子纠错，在不依赖每轮错误症状测量和实时反馈的情况下，让纠错后的逻辑量子比特比实验系统中性能最好的物理量子比特保存信息更久。论文于10月23日发表于《自然·物理》（Nature Physics）。

• 论文标题：Beating the break-even point with autonomous quantum error correction
• 作者：李易、梅清远、揭庆暄等（共同第一作者：李易、梅清远、揭庆暄；共同通讯作者：邹长铃、林毅恒、杜江峰）
• 机构：中国科学技术大学物理学院、合肥国家实验室、浙江大学物理学院等
• 发表期刊：《自然·物理》（Nature Physics，2026年10月23日）
• 论文链接：https://doi.org/10.1038/s41567-026-03486-y

在正常实验室噪声条件下，自动纠错后的逻辑量子比特拟合寿命达到42.7毫秒，最佳物理量子比特为29.4毫秒。研究团队还主动施加低频磁场噪声，在这一特定实验条件下，自动纠错后的寿命达到最佳物理量子比特的11.9倍。

相比单纯延长一个量子态的寿命，这项研究更重要的地方是：团队将单颗离子的多能级编码与可重复执行的自动纠错结合起来，并在离子阱平台上跨过了量子纠错的「盈亏平衡点」。

为什么纠错还要跨过「盈亏平衡点」？

量子计算要连续执行大量操作，但量子比特对磁场波动等外界干扰十分敏感。即使单次操作的误差很小，随着计算步骤增多，错误也可能不断积累。

量子纠错的基本思路，是把需要保护的信息编码到更大的量子状态空间中，使系统能够识别和修复特定错误。常见方案通常需要多个物理量子比特，以及反复的错误症状测量和反馈。然而，这些额外操作本身也会出错。

于是，量子纠错有一道明确的检验标准：经过纠错保护的逻辑量子比特，能否比系统中最好的物理量子比特保持信息更久？如果答案是肯定的，就意味着越过了量子纠错的「盈亏平衡点」。

这不是量子计算领域第一次有系统跨过这道门槛。超导等平台此前已有相关成果。中国科大此次工作的特点，在于离子阱平台上的多轮自动纠错：不在每一轮都测出错误发生在哪里，而是通过设计好的物理过程，使特定错误自动得到修复。

两颗钙离子，如何完成多轮自动纠错？

研究团队使用两颗⁴⁰Ca⁺离子。一颗负责保存量子信息，在其3²D₅/₂能级组中选取四个塞曼子能级，编码出一个逻辑量子比特；另一颗是辅助离子，主要用于协同冷却。两颗离子共有的振动模式，则充当错误所带来熵的转移通道。

^{图1｜实验采用两颗⁴⁰Ca⁺离子：橙色离子编码逻辑量子比特，蓝色离子承担辅助冷却。论文还利用单颗离子的四个内部能级构造逻辑空间与错误空间。图源：Nature Physics，原论文Fig. 1a–c。}

这套方案针对的是实验中占主导的相位错误。磁场波动会使编码后的量子态偏离原来的逻辑空间，进入对应的错误空间。团队设计的四能级纠错码，可以处理其中的一阶相位错误，但不能纠正所有类型、所有强度的噪声。

具体怎么纠错？第一步是「熵转换」。研究人员同时施加八个经过精确调节的729纳米激光频率分量，通过拉曼边带过程，将错误空间中的量子态转回逻辑空间，同时把错误引入的熵转移到共有振动模式上。理想情况下，本来处于正确逻辑空间的量子态则保持不变。

第二步是「重置」。辅助离子经过激光冷却，使共有振动模式重新接近基态，清除上一轮转移来的熵。这样，系统便能再次执行纠错。编码、反复纠错和最后的解码读出，构成完整实验流程。

^{图2｜自动纠错的核心过程：噪声使系统出现错误分量，熵转换操作把错误分量恢复到逻辑空间并激发振动模式，随后通过协同冷却完成重置。图源：Nature Physics，原论文Fig. 3c。}

这一过程省去了每轮纠错所需的错误症状测量和实时反馈，但不等于系统无需控制或测量。实验仍依赖精确的激光脉冲、辅助离子的冷却操作，以及结束时的解码与读出。

论文还分别验证了操作效果：编码与解码组合的过程保真度为97.9±0.4%；一次完整自动纠错循环，对于初始错误态和初始逻辑态的过程保真度分别达到92±2%和98±1%。这为进一步实施多轮纠错提供了实验依据。

42.7毫秒、11.9倍，实验到底证明了什么？

研究团队比较了三种状态：最佳物理量子比特、编码后但没有纠错的逻辑量子比特，以及接受多轮自动纠错的逻辑量子比特。论文用量子过程保真度随时间衰减的拟合结果，衡量它们保存量子信息的能力。

在正常实验室环境中，三者的拟合寿命分别为29.4±2.6毫秒、24.7±2.6毫秒和42.7±9.0毫秒。也就是说，仅仅把信息编码到四个能级上，并没有得到比最佳物理比特更长的寿命；持续执行自动纠错之后，逻辑比特才超过了物理比特。

^{图3｜正常实验室噪声下的过程保真度变化。黄色为最佳物理量子比特，绿色为未纠错逻辑量子比特，蓝色为多轮自动纠错逻辑量子比特。对应拟合寿命分别为29.4±2.6、24.7±2.6和42.7±9.0毫秒。图源：Nature Physics，原论文Fig. 4a。}

按照论文给出的寿命比指标，正常环境下的提升倍数为1.45±0.33。需要注意的是，研究团队同时指出，实验室环境磁场噪声的波动使这一结果存在较大不确定性。论文进一步展示了20至40毫秒区间内的保真度对比，以及29毫秒时九轮纠错后的重复测量结果。

为了更明确地检验抗噪声能力，研究团队又主动向系统注入截止频率为10赫兹的低频磁场噪声。在这一条件下，未纠错逻辑量子比特的拟合寿命降到0.83±0.04毫秒，最佳物理量子比特为0.98±0.01毫秒，而多轮自动纠错后的逻辑量子比特达到11.7±0.8毫秒。

^{图4｜额外注入低频磁场噪声后的实验结果。蓝色曲线对应自动纠错后的逻辑量子比特，其拟合寿命为11.7±0.8毫秒，是最佳物理量子比特0.98±0.01毫秒的11.9±0.8倍。图源：Nature Physics，原论文Fig. 4b。}

因此，11.9倍是特定噪声条件下、针对相位错误的量子信息保存寿命之比，并不意味着量子计算机整体计算能力提高了11.9倍，也不能直接推广到其他类型的量子噪声。

跨过门槛之后，距离容错量子计算还有多远？

与需要在每轮纠错时反复测量和反馈的方案相比，这项工作为离子阱提供了另一条路径：利用离子自身的多能级结构进行编码，再通过振动模式和辅助冷却移除特定错误带来的熵，减少部分测量与反馈环节的控制负担。

不过，现阶段实验保护的仍是单个逻辑量子比特，主要针对一阶退相位错误。论文也指出，更高阶的相位错误还不能由当前编码纠正；若要继续扩大规模，还需要研究多个逻辑量子比特之间的纠缠门操作，并确保操作过程中的纠错保护依然有效。

这项成果证明了一条更精简的自动纠错路线能够实际发挥作用：纠错后的量子信息，比同一实验系统中最好的物理量子比特保存得更久。

^{参考链接：}

^{https://news.ustc.edu.cn/info/1055/96704.htm}

^{https://www.nature.com/articles/s41567-026-03486-y}

^{https://doi.org/10.5281/zenodo.20768851}