2026年9月10日——迄今为止，量子计算机一直受制于其对错误和外部干扰的极度敏感性。量子操作耗时越长，发生计算错误的风险就越大。如今，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员开发出一种新方法，使多种 先进的量子操作能够以快一千倍以上的速度完成。这一突破解决了该领域一个众所周知的瓶颈，并为容错量子计算铺平了道路。

量子计算机有望推动从药物发现、能源系统到密码学、人工智能和物流等领域的突破。然而，在这一潜力得以实现之前，量子计算机必须变得远比今天可靠。

最大的挑战之一，是量子计算机处理信息时出现的计算错误。即便是最轻微的环境干扰，如电噪声、宇宙辐射或过热，都可能触发这些错误。传统计算机同样易受此类错误影响，但成熟完善的纠错技术能够快速检测并修复它们。然而，对量子计算机而言，挑战要大得多。

“量子计算机的基本构建单元被称为量子比特，它们极其敏感，哪怕最微小的扰动也可能使量子态偏离目标，导致信息丢失。如果在错误得到纠正之前积累了太多错误，计算就可能失败。”瑞典查尔姆斯理工大学应用量子物理研究员、这项发表在《Physical Review Letters》上的理论研究的第一作者Lei Du说。

替代性存储带来更好的保护

在寻求更具韧性和容错能力的量子计算过程中，研究人员正在探索保护脆弱量子信息的新方法。一种有前景的方法涉及使用所谓的玻色量子编码*。

“玻色编码不是将量子信息存储在单个量子比特中，而是将信息编码在超导电路内的微波场中。这种方法已被证明能够针对某些类型的错误提供更强的保护。”查尔姆斯理工大学量子技术研究员、该研究的共同作者Tangyou Huang解释说。

量子操作速度提升一千倍

基于玻色量子编码的量子操作，以难以创建和控制而著称。此前的做法每次构建一个单独片段来逐步建立这类量子态，需要引导量子系统经历数千次重复驱动周期；这一耗时过程留下了更多发生错误的机会。过程耗时越长，扰动破坏计算的风险就越大。

如今，查尔姆斯理工大学的研究人员Lei Du和Tangyou Huang开发出一种全新方法。他们没有逐步构建量子态，而是设计出一种能够让这些操作以惊人速度完成的方法。

“我们的方法表明，多种作用于玻色态的量子操作可以在单个驱动周期内完成，而不像此前需要数千个周期。这使操作既更快又更高效，同时降低了扰动在过程完成前破坏信息的风险。它代表着迈向容错量子计算机的重要一步。”Lei Du说。

克服通往容错量子计算道路上的关键瓶颈

研究人员方法的核心是所谓的 量子晶格门 ——这是同一研究团队最近首次提出的一套新的通用量子门集合。它们的作用很像快捷命令，使所需操作能够在单个驱动周期内完成，从而让过程既更简单，也更不易出错。

“你可以把它想象成建造一座大型乐高城堡。不用一块一块地拼装并冒着沿途出错的风险，量子晶格门就像预先搭建好的乐高模块，可以快速高效地连接起来。”Tangyou Huang说。

该方法特别适合超导量子计算机，这是全球竞逐大规模量子计算的主要平台之一。查尔姆斯理工大学也在使用这项技术，目前该校正在开发一台100量子比特的量子计算机。

“我们的方法的一个关键优势是，它可以利用现有的超导量子电路平台来实现。我们已经与查尔姆斯理工大学的同事讨论可能的实验实现，并希望不久的将来能看到该方法的演示。”Tangyou Huang说。

“我们的结果解决了该领域的一大瓶颈：如何快速可靠地创建和控制纠错量子态，而这些量子态可能在未来的量子计算机中发挥重要作用。”Lei Du说。

关于玻色编码、量子晶格门和Floquet控制的更多信息

*玻色量子编码将量子信息存储在例如微波或光学谐振器的状态中，而不是存储在单个量子比特中。它们被视为量子纠错的一种有前景的工具，因为它们能够针对某些类型的错误提供内置保护。

要处理这些信息，就需要量子操作。量子晶格门是最近提出的一套用于控制玻色量子态的基本构建模块。通过设计这些门，可以实现多种更复杂的量子操作。

实现这些操作的一种方式是通过Floquet控制，即用周期性控制信号驱动量子系统。此前基于Floquet的方法往往依赖需要许多驱动周期的缓慢过程。查尔姆斯理工大学开发的新方法则可以在单个驱动周期内直接实现量子晶格门，使某些操作快一千倍以上。