近日，中国科学技术大学研究团队在量子纠错领域取得重大进展，实现了“低于阈值，越纠越对”的量子纠错。
今天，我们就来说一说什么是“量子纠错”。
量子计算机被誉为未来计算的“超级引擎”，其强大能力源于量子比特的独特性质。
我们都知道，传统计算机电子比特非0即1，而量子比特可以同时处于0和1的叠加状态，这种现象称为量子叠加。正是这种特性使得量子计算机能够进行并行计算，在处理某些复杂问题时速度远超经典计算机。
然而，成也萧何败也萧何。也正是这种特性，会使它发生极高的错误率，成为量子计算机投入实用的“拦路虎”。
我们现在使用的电子计算机和手机，也会由于设计缺陷、生产瑕疵、外部干扰（如震动、潮湿）产生错误，经过纠错，使得计算机的错误率低到10的负18次方。
但是，量子计算机的量子叠加状态，使它变得异常“娇气”，环境中细微的热量、振动甚至电磁波都可能干扰量子态，导致量子叠加状态“崩溃”并丢失信息，科学家称这种现象为“退相干”。 在没有纠错的情况下，量子计算机每进行一百次计算就会出现一次错误，这意味着，如果没有纠错，量子计算机的运行结果基本不可信。
量子计算领域的专家袁岚峰教授曾说：“现在的量子计算机没有实用价值，正是因为没有纠错。”
为了解决这个问题，世界上的科学家们采取了各种办法，其中最成熟的就是表面码方案。
通俗地说，表面码就是将物理量子比特排列成一个二维网格状结构，就像铺地砖一样。在这个网格中，有两种不同角色的量子比特： 数据量子比特是主体，负责存储和承载量子信息； 测量量子比特像哨兵一样散布在数据量子比特之间，负责执行一种特殊的“体检”，通过监测其周围数据比特的状态来间接诊断错误。
谷歌的Willow处理器采用这种方案，在2023年实现了一定效果的表面码纠错，但高于“纠错阈值”，仍处于“越纠越错”的状态。
突破“纠错阈值”，实现低于“纠错阈值”，从“越纠越错”困境迈入“越纠越对”的境界，就成为全球量子计算领域的核心焦点。
谷歌的表面码方案之所以未能突破“纠错阈值”，最主要的原因，在于表面码方案只能发现和纠正数据量子比特的状态错误，但无法处理量子泄漏错误。
所谓“量子泄漏错误”，就是量子比特从正常计算状态“迷路”到非计算状态，就像不听话的小孩，从规定的“计算道路”上跑偏，进入无法“家长”找不到、无法对他管理的“错误区域”。
这次取得重大突破的中国科学技术大学团队，采用了一种全新的“全微波量子态泄漏抑制架构”，就是专门用来解决这个问题。
这个方案的基本原理，就是设计一套机制，实时发现“迷路”的量子比特，并精准地把它引导回正确的道路上。
这套机制，就是利用无处不在的“微波”信号作为导航波，通过精巧的“算法地图”，自动、并行地引导所有“孩子”走在正确的道路上，无需额外保安，效率极高。
对于承担主要计算任务的数据量子比特，系统会发射特定频率的微波脉冲。这种微波脉冲能够精准地激发“迷路”的量子比特，使其通过共振，将其状态“引导”回正确的计算能级上。这个过程被称为泄漏还原单元。
对于专门负责测量和纠错的测量量子比特，要求它们在每次完成任务后都能被彻底“清零”，以便投入下一次工作。
实验结果显示，中科大团队这套机制，错误抑制因子达到1.4，这是一个关键的里程碑。它实现了系统量子纠错“低于阈值”，终于从“越纠越错”的困境中走出，迈入了“越纠越对”的全新阶段，为制造实用的量子计算机扫清了一个核心障碍。
这项成果于12月22日以封面论文和"编辑推荐"形式发表于《物理评论快报》，标志着中国在量子纠错领域已达到国际领先水平。
中国科大的量子纠错突破不仅技术指标领先，其采用的全微波技术路线更为未来构建百万比特级量子计算机提供了一种更具优势的解决方案。这将大大加速大规模容错量子计算机的实现进程。
随着量子纠错瓶颈的突破，未来量子计算机将能运行更为复杂的算法，在作战指挥、军工技术、材料设计、药物研发、气候模拟、密码破译等领域发挥巨大潜力。