牛津大学的科学家们创下了一项量子操控精度的世界纪录，他们利用微波操控离子，在670万次操作中仅出现一次错误。

这项突破有望显著缩小未来量子计算机的尺寸并降低成本。

创纪录的量子精度

牛津大学的物理学家创下了量子比特（qubit）操控精度的新世界纪录。他们实现了有史以来测量到的最低量子逻辑门错误率：仅为0.000015%。这意味着在670万次操作中仅出现一次错误！这比该团队十年前创下的上一项纪录提升了近十倍。

形象地说，您今年被闪电击中的概率（约120万分之一） 都比牛津量子逻辑门出错的可能性还要高。

迈向实用化量子计算

这项最近发表在《物理评论快报》上的研究成果，是朝着构建稳健、实用的量子计算机迈出的重大一步。

论文合著者、牛津大学物理系的戴维·卢卡斯（David Lucas）教授表示：“据我们所知，这是全球范围内有记录以来精度最高的量子比特操作。这是构建能够解决现实世界问题的实用量子计算机的重要一步。”

要在量子计算机上执行有用的计算，需要在众多量子比特上运行数百万次操作。这意味着如果错误率过高，计算的最终结果将毫无意义。虽然可以使用纠错技术来修正错误，但这需要消耗更多的量子比特作为代价。新方法通过降低错误率，减少了所需的量子比特数量，从而降低了量子计算机本身的成本和体积。

量子比特更少，机器更小

论文共同第一作者莫莉·史密斯（Molly Smith，牛津大学物理系研究生）说：“这项工作通过大幅降低错误发生的概率，显著减少了纠错所需的基础设施，为未来量子计算机变得更小、更快、更高效开辟了道路。精确操控量子比特对于其他量子技术，如原子钟和量子传感器，也将非常有用。”

这一前所未有的精度是使用一个俘获的钙离子作为量子比特实现的。钙离子因其寿命长、稳定性好，是存储量子信息的天然选择。与常规使用激光的方法不同，牛津团队使用电子（微波）信号来控制钙离子的量子态。

微波优于激光

这种方法比激光控制具有更高的稳定性，并且在构建实用量子计算机方面还有其他优势。例如，电子控制比激光更便宜、更稳定，并且更容易集成到离子阱芯片中。此外，实验是在室温下且无需磁屏蔽的情况下进行的，从而简化了实用量子计算机的技术要求。

此前的最佳单量子比特错误率纪录同样由牛津团队在2014年创造，为百万分之一。该团队的专业技术催生了衍生公司Oxford Ionics于2019年成立，该公司现已成为高性能俘获离子量子比特平台的公认领导者。

未来的更大挑战

尽管这项破纪录的成果标志着一个重要里程碑，但研究团队提醒，这只是更大挑战的一部分。量子计算需要单量子比特门和双量子比特门协同工作。目前，双量子比特门的错误率仍然显著更高 —— 迄今为止的最佳演示中约为五百分之一（1/500） —— 因此降低双量子比特门的错误率对于构建全容错的量子机器至关重要。

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