这一进展使得量子纠错逐渐接近现实。未来，量子计算机可能能够解决对于今天最强大的超级计算机来说过于复杂的问题。为了实现这个目标，量子版本的误差纠正代码必须能够在计算错误发生之前更快地进行校正。

然而，如今的量子计算机在商业上相关规模上还不够稳健，无法实现这样的错误纠正。

在克服这个障碍的过程中，麻省理工学院的科学家们展示了一种新颖的超导量子比特架构，可比之前科学家们所能实现的更高精度地在量子计算机的构建块——量子比特之间进行操作。

他们利用了一种相对较新的超导量子比特——流量子比特，其寿命比常用的超导量子比特要长得多。

他们的架构涉及两个流量子比特之间的特殊耦合元素，使它们能够高精度地执行逻辑操作，即门操作。它抑制了一种不希望出现的背景相互作用类型，这种相互作用可能会在量子操作中引入错误。

这种方法使得两比特门操作的准确度超过99.9％，单比特门操作的准确度达到99.99％。此外，研究人员使用可扩展的制造工艺在芯片上实现了这种架构。

构建大规模的量子计算机需要稳健的量子比特和门操作。研究展示了一个非常有前途的两比特系统，并阐述了它在扩展方面的许多优势。下一步是增加比特的数量。

该研究于2023年9月25日发表在《物理评论X》杂志上。

关于流量子比特的见解

在经典计算机中，门操作是对位（一系列1和0）进行的逻辑操作，用于计算。量子计算中的门操作可以以相同的方式进行思考：单比特门操作是对一个比特进行的逻辑操作，而两比特门操作是依赖于两个相连比特的状态的操作。

保真度衡量了在这些门操作中执行的量子操作的准确性。最高保真度的门操作是至关重要的，因为量子错误呈指数级累积。在大规模系统中进行数十亿次量子操作时，即使出现一小部分错误也可能迅速导致整个系统失效。

在实践中，人们会使用纠错码来实现如此低的错误率。然而，操作必须超过“保真度阈值”才能实现这些纠错码。而且，将保真度远远超过这个阈值将减少实施纠错码所需的开销。

十多年来，研究人员主要在努力构建量子计算机时使用的是透明质子量子比特。另一种名为流量子比特的超导量子比特是最近才出现的。实验证明流量子比特的寿命（或相干时间）比透明质子比特长得多。

相干时间是一个衡量量子比特能够执行操作或运行算法的时间，即在这段时间内比特中的所有信息不会丢失。

丁涛和他的合作者首次找到了一种使用这些相干时间更长的比特构建可以支持极其稳健、高保真度门操作的架构的方法。在他们的架构中，流量子比特的相干时间超过了一毫秒，比传统透明质子比特长10倍。

随着过去几年里多次证明流量子在单比特级别上的性能超过透明质子，研究表明这种性能提升也可以扩展到比特之间的相互作用。

流量子比特是在与麻省理工学院林肯实验室（MIT-LL）的紧密合作中开发的，后者在可扩展超导量子比特技术的设计和制造方面具有专长。

创新的量子架构

他们的新颖架构包括一个电路，两端有两个流量子比特，中间有一个可调的质子量子比特耦合器将它们连接在一起。这种流量子-透明质子-流量子（FTF）架构比直接连接两个流量子比特的方法能够实现更强的耦合。

FTF架构还最小化了在量子操作期间发生的背景不希望相互作用。通常，比特之间的耦合越强，会导致更多持续的背景噪声，即静态ZZ相互作用。但是，FTF架构解决了这个问题。

抑制这些不希望的相互作用和相对较长的流量子比特相干时间是使研究人员能够展示出99.99％的单比特门操作保真度和99.9％的两比特门操作保真度的两个因素。

这些门操作的保真度远高于某些常见纠错码所需的阈值，并且应该能够在更大规模的系统中进行错误检测。