【技术动态】耶鲁大学的研究人员首次成功演示了量子计算机量子纠错

逻辑GKP ququart的实现。图片来源：《自然》（2025）。

在量子计算领域，希尔伯特空间维度--量子计算机能够访问的量子态数量的度量--是一项珍贵的财产。拥有更大的希尔伯特空间可以进行更复杂的量子运算，在实现量子纠错（QEC）方面发挥着至关重要的作用，而量子纠错对于保护量子信息免受噪声和错误的影响至关重要。

耶鲁大学的研究人员最近在《自然》（Nature）杂志上发表的一项研究创建了量子系统（qudits）--一种可保存量子信息并能以两种以上状态存在的量子系统。研究人员利用一个 qutrit（3 级量子系统）和一个 ququart（4 级量子系统），使用 Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）玻色码，首次在实验中演示了高维量子单元的量子纠错。

市场上的大多数量子计算机通常使用名为量子比特的量子态来处理信息。量子比特是一种基本单元，类似于普通计算机中的比特，由于量子叠加的原因，它可以以两种明确定义的状态存在，即向上（1）和向下（0），也可以同时为 0 和 1。单个量子比特的希尔伯特空间是一个二维复向量空间。

由于希尔伯特空间越大越好，使用量子位（qudits）代替量子比特（qubits）正获得科学界的广泛关注。

量子比特可以使构建量子门、运行算法、创建特殊“神奇 ”状态和模拟复杂量子系统等高难度任务变得前所未有的简单。为了利用这些能力，研究人员花费了数年时间，借助光子、超冷原子和分子以及超导电路，建造了基于量子比特的量子计算机。

稳定GKP量子位。图片来源：《自然》（2025）。

量子计算的可靠性在很大程度上取决于QEC，它可以保护脆弱的量子信息免受噪声和缺陷的影响。然而，QEC 的大部分实验工作都集中在量子比特上，因此量子比特被放在了次要位置。

这项研究的研究人员首次利用高特曼-基塔耶夫-普雷斯基尔（Gottesman-Kitaev-Preskill，GKP）玻色子编码，对qutrit和ququart进行了纠错实验演示。为了将系统优化为三元和四元量子存储器，研究人员选择了强化学习算法，这是一种机器学习类型，利用试错法找到纠错或操作量子门的最佳方法。

该实验突破了纠错的盈亏平衡点，通过利用更大的希尔伯特空间，展示了一种更实用、硬件效率更高的QEC 方法。

研究人员指出，GKP 量子态的光子损耗和退相率增加会导致逻辑量子态中编码的量子信息的寿命略有缩短，但作为回报，它提供了在单个物理系统中访问更多逻辑量子态的途径。

这些发现展示了实现稳健、可扩展量子计算机的前景，并可能在密码学、材料科学和药物发现领域带来突破。

参考文献: Benjamin L. Brock et al, Quantum error correction of qudits beyond break-even, Nature (2025).