一次潜在的量子飞跃

哈佛物理学家揭晓新体系，可扫清新一代超级计算机器面临的长期障碍。

Kermit Pattison 撰

左  芬  译

【译注：原文2025年11月12日发布于 The Harvard Gazette， 链接见文末。】

量子科学与工程计划副主任 Mikhail Lukin

构建颠覆性的量子计算机——将信息用单个原子而不是常规比特进行编码的超级机器——的梦想一直面临着量子纠错这一严峻的挑战。

在周一【译注：11月10日】发表于《自然》的一篇论文中，哈佛研究者表明一种新体系可以在一个关键的性能阈值下探测并移除错误，从而有望为这一难题提供一种可行的解决办法。

“史无前例地，我们把可扩展的、纠错的量子计算的所有必要元素都结合到了一个集成式架构中，”量子科学与工程计划副主任，约书亚和贝丝弗里德曼大学教授，也是新论文通讯作者的Mikhail Lukin说道，“这些实验——在多种度量下都是至今为止所有量子平台上最领先的——为实用化的大规模量子计算奠定了科学基础。”

在新论文中，团队展示了一种“容错”体系，通过一套繁复的技术操纵448个原子量子比特来探测和纠正错误。

核心机制包括物理纠缠、逻辑纠缠、逻辑魔力，以及熵移除。例如，体系借助了“量子隐形传态”的技巧——将一个粒子的量子态传送到异地没有物理接触的另一个粒子上。

“要得到具有数百万量子比特的超大规模计算机的话还有大量技术挑战要面对，但这是有史以来第一次我们得到了一个概念上可扩展的架构，”第一作者，25级博士生Dolev Bluvstein称，他在哈佛念研究生期间开展的这项研究，如今已是加州理工的助理教授了。“还需要大量努力和技术发展，但已经很明朗了，我们确实可以构建出容错量子计算机。”

由哈佛主导的这一合作组还包括来自麻省理工的研究者，并由Lukin、George Vasmer Leverett物理教授Markus Greiner以及麻省理工的Lester Wolfe物理教授Vladan Vuletić共同领导。团队的研究工作还得到了诸多单位的协作，这其中包括由哈佛-麻省理工实验室孵化出的一家初创公司QuEra计算，马里兰大学的量子信息与计算科学联合中心，以及美国国家标准与技术研究院。

这一新论文标志着量子纠错三十年求索以来的一次重大进展。

“归根结底，物理是一门实验科学。通过在实验室里实现和验证这些基本想法，你会真正感到开始在黑暗中看到光亮了。”                 ——  Mikhail Lukin

常规计算机把信息制备在0和1组成的二元码里。量子计算机则是在亚原子粒子里存储信息，它们反直觉的量子物理特性可以实现强得多的处理能力。

在一台常规计算机中，最基本的信息单元是一个“比特”（二元数字位的简称）；而在量子体系中，基本单元是一个“量子比特”（或者量子位）。

在常规计算机里，把比特数目翻倍会让处理能力也翻倍；在量子体系中，因为一种叫做量子纠缠现象的存在，量子比特的增加会指数性地提升能力。

理论上，300个量子比特的体系可以存储的信息比已知宇宙中的粒子数还多。

有着如此强大的能力，量子计算机有望为诸如药物发现、加密、机器学习、人工智能、金融以及材料设计等领域带来突破。

不过如此革命性的潜力的实现还存在着阻碍。其中的主要阻碍是错误率。量子比特天生易于溜出它们的量子态并失去编码的信息，使得纠错成为实现大型量子机器的必要前提。

在这一新文章中，团队结合了多种方法来生成具有数十个纠错层的复杂电路。这一体系在临界阈值——继续添加量子比特会降低而不是增加错误的点——之下压低了错误。

“对于应该如何实施纠错，已经有很多重要的理论方案了，”新文章主要作者之一，肯尼斯·C·格里芬文理研究生院的物理博士研究生Alexandra Geim说道，“在本文中我们切实聚焦的地方在于，要弄清楚哪些核心机制导致了可扩展的深层电路计算。通过理解这个，你就能真正移除你不需要的东西，降低你的开支，并且尽快地落到实处。”

Lukin称数年的实验已经表明如何克服一些技术挑战，并避免其它的。

“我们认识到这些瓶颈中的哪些是真实的，而哪些你可以直接绕开，”他说，“归根结底，物理是一门实验科学。通过在实验室里实现和验证这些基本想法，你会真正感到开始在黑暗中看到光亮了。”

全世界的研究者们正在研究量子比特的种种潜在方案，其中包括不同种类的原子，离子，以及超导量子比特。

哈佛团队专注于铷元素的中性原子（它们不带电荷，因为拥有相同数目的质子和电子）。他们使用激光来改变电子构型，从而把原子制备成携带信息的量子比特。

谷歌量子人工智能团队的工程副总裁称新文章的出现正处在不同量子比特方案之间一场“极其激烈”的竞赛当中。

“这一工作是朝着我们共同的目标——也就是构建一台大尺度的实用量子计算机——的一次重大进展。”他说。

九月份，哈佛-麻省理工-QuEra团队发表过另一篇《自然》论文，演示一个超过3000个量子比特的体系可以持续运作超过两小时，并且可以克服原子丢失上的又一个技术难关。

有了这些近期进展，Lukin认为构建量子计算机的核心要素已经逐步落实。

“我们很多人数十年来的远大梦想，头一回地，真正近在咫尺了。”他说。

原文链接：

https://news.harvard.edu/gazette/story/2025/11/a-potential-quantum-leap/