量子計算界迎來重磅突破！耶魯大學應用物理系的Benjamin L. Brock與Michel H. Devoret（現就職于加州大學圣巴巴拉分校物理系及谷歌量子人工智能）團隊，在量子糾錯領域取得了革命性進展。他們不僅首次在實驗上驗證了邏輯多能級量子系統（qudits，維度d > 2）的糾錯能力，更通過戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基爾（GKP）玻色子編碼方案，成功實現了三能級量子比特（qutrit，d=3）和四能級量子比特（ququart，d=4）的糾錯，增益分別高達1.82?±?0.03和1.87?±?0.03，一舉超越了量子糾錯的“盈虧平衡點”。這一突破性成果，使其躋身于少數幾個在量子存儲器量子糾錯領域成功超越盈虧平衡點的實驗之列。 這項研究獨辟蹊徑，開創性地提出一種借助諧振子所擁有的廣闊希爾伯特空間，以實現硬件層面高效量子糾錯的新穎方法。

量子計算機：脆弱量子態與糾錯突圍

量子計算機，這個聽起來就充滿未來感的名詞，其實離我們并不遙遠。它們利用量子力學的奇異特性，如疊加態和糾纏態，能夠在某些特定任務上展現出遠超經典計算機的能力。然而，量子計算機也有其難以克服的軟肋——量子態的脆弱性。想象一下，你正在嘗試用最精密的儀器繪制一幅絕美的畫卷，但每當筆尖觸碰畫布，一陣微風就能讓你的作品毀于一旦。在量子世界里，這種“微風”就是外部信號、熱噪聲以及其他環境擾動，它們足以讓量子比特在完成有用計算前就丟失所有信息。在量子世界中，量子比特（qubit）是信息的基本單位，與經典比特只能表示0或1不同，量子比特可以同時處于0和1的疊加態。這種特性使得量子計算機在處理復雜問題時具有巨大的優勢，但同時也帶來了極大的挑戰。因為任何微小的環境擾動都可能導致量子態的坍縮，使得計算結果變得毫無意義。

為了克服這一難題，科學家們提出了量子糾錯（Quantum Error Correction, QEC）的概念。量子糾錯就像是一位忠誠的守護神，它通過將量子信息編碼成“邏輯態”，并在多個物理量子比特上冗余存儲，來抵抗環境干擾對量子態的破壞。當某個物理量子比特發生錯誤時，糾錯碼能夠檢測并糾正這一錯誤，從而保證邏輯量子態的穩定性和可靠性。

然而，實現量子糾錯并非易事。它要求量子系統不僅要有足夠的希爾伯特空間維度來存儲冗余信息，還要有高效的糾錯協議來檢測和糾正錯誤。

高維量子系統：量子計算的“新大陸”

傳統的量子計算主要基于二能級量子系統，即量子比特。然而，量子比特并不是量子世界的唯一選擇。事實上，許多物理系統都擁有多個能級，這些額外的能級為量子計算提供了新的可能性。科學家們開始將目光投向多能級量子系統（qudits），這些系統擁有d個能級（d > 2），因此被稱為高維量子系統。高維量子系統相較于量子比特具有諸多優勢。首先，它們提供了更大的希爾伯特空間維度，這意味著在相同的物理資源下，可以存儲和處理更多的量子信息。其次，高維量子系統有助于實現更高效的魔法態蒸餾、量子門合成、算法編譯等。此外，高維結構還有助于簡化量子算法的設計，提高計算效率。然而，要充分利用高維量子系統的優勢，就必須解決量子糾錯這一難題。因為高維量子系統同樣面臨著量子態脆弱性的挑戰，如果沒有有效的糾錯機制，它們同樣無法在實際應用中發揮作用。

耶魯大學的突破：高維量子系統的糾錯之路

為了實現對高維量子態的糾錯，耶魯大學的研究團隊選擇了戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基爾（Gottesman–Kitaev–Preskill, GKP）編碼方案。GKP編碼方案是一種基于玻色子編碼的量子糾錯方法，它通過將量子信息編碼到振蕩器的網格態中，實現了對量子態的有效保護。實驗裝置由一個與三維超導微波腔體色散耦合的鉭（Tantalum）超導量子比特（transmon）組成。微波腔體中存在一個振蕩器模式，用于存儲邏輯GKP態。超導量子比特則作為輔助比特，用于控制振蕩器模式并執行糾錯操作。研究團隊通過優化GKP編碼方案，并引入強化學習算法，讓 AI 代理自主調整實驗中的 45 個參數，以最大化量子存儲的保真度。這種無需物理建模的優化策略克服了傳統校準方法的復雜性。結果顯示，糾錯性能在多輪循環中保持穩定，并實現了對邏輯三能級量子比特（qutrit，d=3）和四能級量子比特（ququart，d=4）的高效糾錯。經過精心設計的實驗和優化，研究團隊成功實現了邏輯qutrit和ququart在保真度上超越盈虧平衡點的目標。糾錯后的qutrit和ququart信息存儲壽命分別比未糾錯態延長了82%和87%，增益系數達到1.82和1.87，與現有最優糾錯量子比特性能相當甚至更優。

▲a. 維度d∈{2, 3, 4}時，物理腔福克多能級量子比特與邏輯戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基爾（GKP）多能級量子比特的有效壽命。箭頭表示量子糾錯（QEC）所帶來的增益。b. 維度d∈{2, 3, 4}時，優化后GKP多能級量子比特的有效包絡尺寸Δeff。c. 維度d∈{2, 3, 4}時，優化后GKP多能級量子比特在腔內的平均光子數。

高維量子系統糾錯所蘊含的巨大潛力，無疑為未來量子計算機的發展開辟了嶄新的思路與途徑。隨著相關研究不斷向縱深推進，技術手段日益成熟完善，我們有充分的理由堅信，高維量子系統糾錯技術必將在未來量子計算領域占據關鍵地位，成為推動量子科技全面進步與蓬勃發展的核心驅動力。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08899-y

編譯：sj