中国科学技术大学自旋磁共振实验室林毅恒教授与量子信息实验室邹长铃教授等合作，在量子纠错领域取得重要突破。研究团队利用单个离子的多能级编码逻辑比特，首次在离子阱平台实现多轮自动量子纠错，逻辑比特相干时间优于系统的最佳物理比特，超越了盈亏平衡点。相关成果以“Beating the break-even point with autonomous quantum error correction”为题，10月23日发表在国际学术期刊《自然·物理》（Nature Physics）上。
量子纠错通过将量子信息编码到高维希尔伯特空间，利用冗余信息识别并抑制噪声，是构建实用量子计算机的关键技术。离子阱系统具有长相干时间、高保真量子门等优势，是实现容错量子计算最具潜力的体系之一。该体系的量子纠错方法通常依赖错误症状测量和实时反馈，这显著增加了实验复杂度。研究团队采用自动量子纠错方案，以耗散工程的方式替代测量与反馈，从而规避这一难题。通过引入一个初始处于低熵状态的辅助系统，当量子信息受到噪声干扰后，使用相干操控将错误引入的熵转移至辅助系统，将量子态恢复至编码空间；随后利用耗散过程将辅助系统重新制备到低熵状态，为下一轮纠错做好准备。通过反复执行这一循环，便可持续抑制噪声对量子信息的影响。
基于双离子系统的自动量子纠错方案
研究团队在两个40Ca+离子系统中实现了这一方案。其中一个离子的四个内部能级用于编码逻辑比特，另一个离子用于辅助，两个离子共有的振动模式则充当熵转移的载体。通过对辅助离子的操控，即可实现对共有振动模式的初始化与重置。针对磁场波动引起的Sz相位翻转噪声，研究团队设计了四能级量子纠错码，将逻辑比特编码在单个40Ca+离子32D5/2流形的四个塞曼能级上。
在自动纠错过程中，研究团队施加多频激光操控，将处于错误空间的量子态恢复至逻辑空间，同时激发共有振动模式，原本处于逻辑态的分量则不受影响。通过这种方式，错误引入的熵便被转移至振动模式。随后，通过协同冷却即可清除这些熵：由于两个离子共享振动，仅需对辅助离子进行冷却即可带走共有振动中的多余能量，使其重返低熵基态。这种相干转移与冷却重置的交替进行，构成了可连续重复执行的自动纠错循环。
衡量量子纠错是否产生实际收益的关键，在于纠错后的逻辑比特能否比系统中性能最好的物理比特更长时间地保存量子信息，这一指标被称为量子纠错的“盈亏平衡点”。研究团队系统比较了最佳物理比特、未纠错逻辑比特以及多轮自动纠错逻辑比特的相干时间表现，如图3所示。实验结果表明，在实验室环境噪声条件下，重复自动纠错后的逻辑比特相干时间约为 42毫秒，优于最佳物理比特的 29.4 毫秒和未纠错逻辑比特的24.7毫秒，寿命比约为1.45。考虑到实验室环境噪声的波动，研究团队进一步施加可控的低频磁场噪声，检验纠错方案的保护效果。在这一情形下，最佳物理比特的相干时间缩短至0.98毫秒，未纠错逻辑比特为0.83毫秒，而自动纠错后的逻辑比特达到11.7毫秒，是最佳物理比特的11.9倍。
自动纠错对相干时间的提升
该工作将单个离子的多能级编码与自动纠错相结合，为减少量子纠错的编码资源及控制开销提供了新思路。目前方案主要针对单个逻辑比特的相位错误，未来仍需进一步探索多个逻辑比特之间的量子操作及其纠错保护。这一成果为发展更加稳定的量子存储单元和离子阱容错量子计算提供了实验基础。
中国科学技术大学研究生李易、梅清远和揭庆暄为本文共同第一作者。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金、中国科学院等项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-026-03486-y
（物理学院、科研部）
