2026年8月25日——由耶鲁大学牵头的一支多学科研究团队获得了美国国家科学基金会（NSF）3750万美元的资助，用于建立一个中心，该中心旨在设计出从顶层到底层都实用且能够自我纠错的量子计算机，并为业界构建可靠机器指明方向。

这笔资助是 NSF为大型跨学科研究中心颁发的8项资助之一，这些中心被称为“量子跃迁挑战研究所”（Quantum Leap Challenge Institutes），旨在应对量子信息科学与技术前沿的重大挑战。

量子计算有望解决一系列经典计算机几乎无法解决的问题。材料科学、药物设计等领域的潜在应用可以提升生活质量并推动经济增长。然而，主要挑战之一在于，量子机器比经典机器更容易出错。这是因为量子比特——量子计算中的信息单位——非常脆弱。相比之下，传统计算机中的0和1具有惊人的鲁棒性，但量子态很容易受到环境中噪声和其他因素的影响。

要可靠且实用，量子计算机必须能够比错误发生的速度更快地检测并纠正这些机器中的错误。

“如今，纠错是使量子计算变得有用的主要科学和工程挑战，”该中心主任Robert Schoelkopf教授表示。“通过这个项目，我们希望理解让计算机变得更好、更易构建的科学和工程原理。我们将在技术栈的各个层面提出新想法，使纠错和容错机器变得更容易实现、更高效、更实用。”

“我们不仅有物理学家，还有工程师和计算机科学家，部分原因就是为了理解器件的物理特性以及发生的各类错误，然后优化编码和算法以配合这些情况。”

Robert Schoelkopf，应用物理学斯特林教授

为此，研究团队将启动一项名为“NSF量子跃迁挑战研究所——实用量子纠错物理与工程（NSF PRACTIQAL）”的新计划。该中心汇集了来自多所大学的计算机科学家、化学家、物理学家和工程师。NSF PRACTIQAL专注于在量子计算机的各个层面取得进展，从物理量子比特和控制电子装置到算法的运行方式。该中心旨在培养一个由广泛学科科学家和工程师组成的共同体，他们能够为全面理解实现大规模、可纠错量子计算所需的硬件和软件作出贡献。

“我们不仅有物理学家，还有工程师和计算机科学家，部分原因就是为了理解器件的物理特性以及发生的各类错误，然后优化编码和算法以配合这些情况，”应用物理学斯特林教授Schoelkopf说。

NSF PRACTIQAL将主要聚焦量子计算中的两个挑战。一是识别阻碍纠错机器扩展的关键问题，并找到使量子纠错更实用、更高效的方法。其次，研究人员将探索被称为“擦除量子比特”（erasure qubits）的特殊设计量子比特的用途。这些量子比特由PRACTIQAL团队成员首创，能够充当标记，精确指示错误发生的位置和时间。

该领域的研究人员通常专注于量子计算中的某一特定组件。然而，尽管这一组件单独运行可能完美，但作为一个由其他实验室开发的组件构成的大型系统的一部分，它可能无法良好运作。通过以协调一致的方式应用各自的专业特长，PRACTIQAL团队旨在开发一个整机均得到优化的量子计算系统。例如，硬件和软件将被设计为运行相同类型的代码，从而使机器运行更高效、更不易出错。

PRACTIQAL联合主任Michael Hatridge指出，该领域的许多工作都是在针对纠错优化的小型机器上完成的。PRACTIQAL团队旨在缩短通往大规模、可纠错量子计算机的路径。

“因为我们是学术研究人员，我们不会构建一个巨型系统，但我们将证明我们的想法，并为如何构建一个更大的系统开辟路径，”应用物理学副教授Hatridge说。“这就是我们有产业合作伙伴的原因。我们还有一个外部顾问委员会，帮助我们不仅进行孤立的实验，而且与更广泛的社区保持联系。”

在这个雄心勃勃的五年项目结束时，研究人员预计将开发出一条在工业规模上构建实用纠错计算机的路径。

“我们对此充满期待，”Hatridge说。“PRACTIQAL规模很大、非常复杂，牵涉很多环节，但我们非常兴奋能够做到。”

除了Schoelkopf和Hatridge之外，参与NSF PRACTIQAL的耶鲁大学教师还包括：计算机科学系的Yongshan Ding和Lin Zhong，应用物理系的Aleksander Kubica和Shruti Puri（以上均在耶鲁大学工程学院），以及物理系的Steven Girvin和Konrad Lehnert、化学系的Victor Batista。