2026年6月23日——悉尼大学的研究人员与 IBM 合作，已经确定并量化了限制量子计算机性能的重要因素，并展示了克服这些影响的方法。

这些发现增进了我们对量子计算过程中错误产生方式的理解，有望显著提高量子技术的可靠性。

该论文已发表在 《自然通讯》杂志上。

悉尼大学纳米研究所的项目负责人斯蒂芬·巴特利特教授表示，量子计算机仍然极易受到“噪声”或外部干扰以及不稳定的影响，这使得它们难以扩展到实用的机器规模。

“如果我们能够在计算进行过程中可靠地检测和纠正错误，量子计算机将变得更加有用，”悉尼纳米技术中心主任巴特利特教授说。

“与 IBM 的这项联合项目有助于我们了解当今量子硬件的哪些部分存在最多的问题，以及工程改进将在哪些方面产生最大的影响。”

量子计算机有望解决传统计算机无法解决的某些问题，例如模拟复杂的化学系统、设计新材料和药物，以及改进优化问题。但其基本信息单元——量子比特（qubit）——极其脆弱，即使是环境中的微小扰动也会导致信息丢失。

为了解决这个问题，量子计算机使用纠错系统，在计算过程中反复检查量子比特是否存在错误。这意味着系统中的一些物理量子比特被用来查找执行信息处理的量子比特中的错误。然而，这些检查本身也可能引入新的错误。

电路中部测量

为了分析误差的来源，研究团队考察了电路中间测量的作用。当量子系统进行操作时，会在操作的中间阶段对特定的量子比特进行测量。这种测量会将这些量子比特坍缩成经典态，同时允许其他量子比特保持其相干性。

测量这些状态可以立即反馈如何管理整体运营。 

巴特利特教授说：“在量子计算的每个步骤中，这种情况都会发生很多很多次。每次这样的电路中间测量都需要时间，在测量完成期间，操作中的其他所有环节都必须‘暂停’。这是一个主要的障碍。” 

“但我们不能绕过这一步——它是量子纠错的关键要素。我们在这项研究中所做的，就是定量地确定我们需要这些纠错措施达到的性能水平。这对于设计能够扩展并有效运行的系统至关重要。”

使用IBM量子计算机

研究人员使用 156 量子比特的 IBM Quantum Heron r2 超导量子处理器，测试了不同的纠错方法在保持量子信息和实现量子逻辑运算方面的效果。

具体来说，该团队研究了如何减少由电路中间测量引起的“空闲”噪声。

通过重新设计纠错电路以减少空闲时间，研究人员显著提高了性能。改进后的方法将每个纠错周期的逻辑量子比特存活率从低于 90% 提高到超过 96%。

研究人员还发现，测量噪声是影响当今设备上量子逻辑运算可靠性的主要限制因素之一。

悉尼纳米技术中心和物理学院的主要作者 Robin Harper 博士表示，这项研究的重点是了解为什么纠错量子操作会失败。

哈珀博士说：“量子纠错对于构建大规模量子计算机至关重要，但它也带来了一系列非常复杂的工程挑战。”

“我们想找出哪些物理过程限制了现代量子设备的性能。我们发现，在计算过程中测量量子比特的行为本身就会造成不稳定性。”

“通过重新设计这些测量的执行方式，我们能够显著提高逻辑量子比特的可靠性。”

这项研究是悉尼大学与IBM于2024年宣布的合作项目的直接成果，旨在推进量子纠错技术的发展，并对不同的容错量子计算方法进行基准测试。该合作项目由美国政府的研究资助机构——情报研究计划署（IARPA）资助。

该研究还建立在悉尼大学和伦敦大学学院之间专注于下一代量子技术的国际合作和人才交流项目之上。共同作者康斯坦斯·莱内是伦敦大学学院的博士生，她作为人才交流项目的一部分，在悉尼纳米研究小组工作。

巴特利特教授表示，此次合作表明了大学与产业界在推进量子技术发展方面开展合作的重要性。

他说：“在先进的量子硬件上测试这些想法，可以让我们更好地了解扩展量子计算系统所涉及的实际挑战。”

“如果我们想开发出在实验室外也能用得上的量子技术，这种合作至关重要。”

IBM量子科学家、IARPA资助项目的联合首席研究员、以及本研究的共同作者本·布朗博士参与设计了量子纠错基准测试，该测试用于表征电路中间部分的测量。加入IBM之前，布朗博士在悉尼大学完成了博士后研究。

巴特利特教授表示，这项研究凸显了澳大利亚通过跨学术界、政府和产业界的合作，在国际量子技术领域发挥着日益重要的作用。