创造颠覆性量子计算机（将信息编码到单个原子而不是传统比特中的超级机器）的梦想，一直受到被称为量子纠错的巨大挑战的阻碍。

哈佛大学的研究人员周一在《自然》杂志上发表论文，展示了一种能够检测和消除低于关键性能阈值的错误的新系统，这可能为该问题提供一个可行的解决方案。

“我们首次将可扩展、纠错量子计算的所有必要元素整合到一个集成架构中，”量子科学与工程计划联合主任、约书亚和贝丝·弗里德曼大学教授、该论文的资深作者米哈伊尔·卢金表示?！罢庑┦笛椤佣喔龇矫胬纯矗际瞧裎乖谌魏瘟孔悠教ㄉ辖械淖钕冉氖笛椤导实拇蠊婺Ａ孔蛹扑愕於丝蒲Щ?。”

在这篇新论文中，该团队展示了一个“容错”系统，该系统使用 448 个原子量子比特，通过一系列复杂的技术来检测和纠正错误。

其关键机制包括物理纠缠、逻辑纠缠、逻辑魔法和熵消除。例如，该系统运用了“量子隐形传态”的技巧——无需物理接触即可将一个粒子的量子态转移到其他地方的另一个粒子。

“要实现拥有数百万量子比特的超大规模计算机，仍然存在许多技术挑战，但这是我们首次拥有一个概念上可扩展的架构，”论文第一作者、2025届哈佛大学博士毕业生多列夫·布鲁夫斯坦（Dolev Bluvstein）说道。他在哈佛大学攻读研究生期间完成了这项研究，现在是加州理工学院的助理教授?！罢庑枰罅康呐图际蹩?，但我们越来越清楚地认识到，我们可以构建容错量子计算机?！?/span>

协作与纠错之旅

这项由哈佛大学牵头的合作项目汇集了麻省理工学院的研究人员，由卢金、麻省理工学院乔治·瓦斯默·莱弗雷特物理学教授马库斯·格雷纳以及莱斯特·沃尔夫物理学教授弗拉丹·武莱蒂奇共同领导。该团队与QuEra Computing（一家从哈佛-麻省理工学院实验室衍生出来的初创公司）、马里兰大学联合量子研究所和美国国家标准与技术研究院合作开展研究。

这篇新论文代表了量子纠错领域三十年来取得的重要进展。

传统计算机使用二进制代码（0 和 1）对信息进行编码。量子计算机则将信息存储在亚原子粒子中，利用量子物理学中那些违反直觉的特性，可以实现远超传统计算机的处理能力。

在传统计算机中，信息的最基本单位是“比特”（二进制数字的缩写）；在量子系统中，基本单位是“量子比特”（或量子位）。

在传统计算机中，比特数翻倍，处理能力也会翻倍；在量子系统中，由于量子纠缠现象，增加量子比特会使处理能力呈指数级增长。

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理论上，一个由 300 个量子比特组成的系统可以存储比已知宇宙中粒子数量更多的信息。

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量子计算的前景与挑战

凭借如此强大的计算能力，量子计算机有可能在药物发现、密码学、机器学习、人工智能、金融和材料设计等领域取得突破性进展。

但要实现这种革命性的潜力，仍存在诸多障碍。其中最主要的障碍是错误率。量子比特本质上容易脱离其量子态并丢失编码信息，因此纠错是实现大型量子计算机的核心前提。

在这篇新论文中，研究团队结合多种方法，构建了具有数十个纠错层的复杂电路。该系统能够将误差抑制到临界阈值以下——在该阈值下，增加量子比特反而会降低误差，而不是增加误差。

“关于如何实现纠错，已经有很多重要的理论提案，”这篇新论文的主要作者之一、肯尼斯·C·格里芬文理研究生院物理学博士生亚历山德拉·盖姆说道，“在这篇论文中，我们真正关注的是理解实现可扩展的深度电路计算的核心机制。通过理解这些机制，我们可以有效地去除不必要的部分，降低开销，并更快地达到实用状态?！?/span>

卢金表示，多年的实验表明，他们能够克服一些技术难题，并避免另一些难题?！拔颐且馐兜侥男┢烤笔钦嬲嬖诘?，哪些瓶颈是可以绕过的，”他说?！肮楦岬?，物理学是一门实验科学。通过在实验室中实现和检验这些基本概念，你就能真正看到隧道尽头的曙光?！?/span>

中性原子与量子比特竞赛

世界各地的研究人员正在研究各种潜在的量子比特平台，包括不同类型的原子、离子和超导量子比特。

哈佛大学的研究团队专门研究铷元素的原子，这些原子是中性的（由于质子数和电子数相等而不带电荷）。他们利用激光改变电子的排列方式，从而对原子进行编码，使其成为携带信息的量子比特。

谷歌量子人工智能团队工程副总裁哈特穆特·内文表示，这篇新论文的发表正值量子比特平台之间“激动人心”的竞争之际。“这项工作标志着我们在构建大规模、实用量子计算机这一共同目标上取得了重大进展，”他说道。

9 月，哈佛-麻省理工-QuEra 小组在《自然》杂志上发表了另一篇论文，展示了一个拥有 3000 多个量子比特的系统，该系统可以连续运行两个多小时，并克服了原子损失的另一个技术障碍。

卢金认为，随着近期技术的进步，构建量子计算机的核心要素正在逐步到位?！拔颐切矶嗳思甘昀匆恢被炒У恼飧鑫按竺蜗?，如今第一次真正近在眼前了，”他说。

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