2026年8月3日——由加州大学洛杉矶分校（UCLA）领导的物理学家、工程师和计算机科学家团队入选美国国家科学基金会（NSF）“国家量子虚拟实验室”（NQVL）计划，获得400万美元资助。该计划是一项国家性举措，旨在加速实用量子技术的开发，并让全美研究人员能够使用先进的量子工具和 测试平台。

“FTL：加速容错量子逻辑”（FTL: Accelerating Fault-Tolerant Quantum Logic）项目汇集了UCLA物理科学部和UCLA Samueli工程学院的研究人员，共同开发基于俘获原子离子的容错量子计算机设计。在UCLA物理学教授Eric Hudson的领导下，该团队旨在为一台拥有60个逻辑量子比特——即受错误保护的量子比特——的机器绘制蓝图，使其能够执行经典超级计算机无法企及的数字量子模拟。

量子比特是量子计算的基本单位，类似于经典计算中的比特。经典比特在任何给定时间只能处于两种状态之一（“开”或“关”），而量子比特利用一种称为“叠加”的量子现象，可同时处于不同状态。然而，许多因素都可能影响量子比特的状态，量子计算的一项基本挑战是确保量子比特保持一致、可预测地运行，而不出错。逻辑量子比特通过将多个量子比特编码在一个簇中来解决这一问题，使错误更容易被检测和限制，且不影响其他量子比特的性能。

“只有当量子计算机能够在量子信息脆弱的情况下依然可靠运行时，它们才会变得实用，”UCLA物理与天文学教授、该项目首席研究员Hudson表示。“这笔资助使我们能够汇聚所需的硬件、纠错、软件和用户群体，共同设计一个能够达到容错水平的系统。”

迈向容错量子计算

当今的量子计算机受限于量子信息与环境相互作用时产生的错误。即使是极小的干扰，如温度的细微变化或设备材料本身的微小不一致，都可能干扰量子计算机的工作。容错量子计算试图通过将信息编码到受量子纠错保护的逻辑量子比特中来克服这一挑战。如果成功，容错将使量子计算机能够执行长时、可靠的计算，这是当前不稳定或“有噪声”的设备无法实现的。

由UCLA领导的FTL团队将专注于一种称为“量子电荷耦合器件”的离子阱架构。在这种方法中，单个带电原子通过基于芯片的器件移动，使选定的离子对能够相互作用。该架构将高质量量子操作与灵活连接相结合，为可扩展、可纠错的量子处理器开辟了一条有前景的道路。

该项目的核心技术目标是协同设计整个量子计算技术栈——从原子物理和芯片架构，到量子纠错、编译、控制系统和目标应用。通过将硬件和软件协同设计，该团队旨在降低容错量子计算通常所需的额外开销。

所提出的处理器旨在支持数字量子模拟，这是容错量子计算机最早预期应用之一。此类模拟可帮助科学家研究经典计算机难以处理的量子多体系统，并在材料科学、化学、药物发现和基础物理等领域产生潜在影响。

团队协作应对关键挑战

“在物理科学与工程领域之间开展合作，使我们能够应对设计量子计算机过程中的关键挑战，”项目联合负责人、UCLA Samueli计算机科学教授Jens Palsberg表示。

UCLA物理学家、项目联合负责人Wesley Campbell表示：“每次与计算机科学领域的同事交流，我都收获颇丰。他们对许多概念有着完全不同的理解方式。这使我们能够通过填补彼此的盲区，更快地取得进展。”

来自加州大学伯克利分校、康奈尔大学、马里兰大学、佐治亚理工研究所、加州大学圣塔芭芭拉分校、SRI International、Quantinuum、英伟达、Daylight Solutions、IonQ等机构的同事及其他合作伙伴也在参与该项目。

“这个项目的意义不止于构建更好的量子设备，”Hudson表示。“它关乎为容错量子计算开辟一条开放的学术路径——一条培养下一代科学家、让用户得以使用能解决重要问题的机器的路径。”