牛津大學的科學家們創下了一項量子操控精度的世界紀錄，他們利用微波操控離子，在670萬次操作中僅出現一次錯誤。

這項突破有望顯著縮小未來量子計算機的尺寸并降低成本。

創紀錄的量子精度

牛津大學的物理學家創下了量子比特（qubit）操控精度的新世界紀錄。他們實現了有史以來測量到的最低量子邏輯門錯誤率：僅為0.000015%。這意味著在670萬次操作中僅出現一次錯誤！這比該團隊十年前創下的上一項紀錄提升了近十倍。

形象地說，您今年被閃電擊中的概率（約120萬分之一） 都比牛津量子邏輯門出錯的可能性還要高。

邁向實用化量子計算

這項最近發表在《物理評論快報》上的研究成果，是朝著構建穩健、實用的量子計算機邁出的重大一步。

論文合著者、牛津大學物理系的戴維·盧卡斯（David Lucas）教授表示：“據我們所知，這是全球范圍內有記錄以來精度最高的量子比特操作。這是構建能夠解決現實世界問題的實用量子計算機的重要一步。”

要在量子計算機上執行有用的計算，需要在眾多量子比特上運行數百萬次操作。這意味著如果錯誤率過高，計算的最終結果將毫無意義。雖然可以使用糾錯技術來修正錯誤，但這需要消耗更多的量子比特作為代價。新方法通過降低錯誤率，減少了所需的量子比特數量，從而降低了量子計算機本身的成本和體積。

量子比特更少，機器更小

論文共同第一作者莫莉·史密斯（Molly Smith，牛津大學物理系研究生）說：“這項工作通過大幅降低錯誤發生的概率，顯著減少了糾錯所需的基礎設施，為未來量子計算機變得更小、更快、更高效開辟了道路。精確操控量子比特對于其他量子技術，如原子鐘和量子傳感器，也將非常有用。”

這一前所未有的精度是使用一個俘獲的鈣離子作為量子比特實現的。鈣離子因其壽命長、穩定性好，是存儲量子信息的天然選擇。與常規使用激光的方法不同，牛津團隊使用電子（微波）信號來控制鈣離子的量子態。

微波優于激光

這種方法比激光控制具有更高的穩定性，并且在構建實用量子計算機方面還有其他優勢。例如，電子控制比激光更便宜、更穩定，并且更容易集成到離子阱芯片中。此外，實驗是在室溫下且無需磁屏蔽的情況下進行的，從而簡化了實用量子計算機的技術要求。

此前的最佳單量子比特錯誤率紀錄同樣由牛津團隊在2014年創造，為百萬分之一。該團隊的專業技術催生了衍生公司Oxford Ionics于2019年成立，該公司現已成為高性能俘獲離子量子比特平臺的公認領導者。

未來的更大挑戰

盡管這項破紀錄的成果標志著一個重要里程碑，但研究團隊提醒，這只是更大挑戰的一部分。量子計算需要單量子比特門和雙量子比特門協同工作。目前，雙量子比特門的錯誤率仍然顯著更高 —— 迄今為止的最佳演示中約為五百分之一（1/500） —— 因此降低雙量子比特門的錯誤率對于構建全容錯的量子機器至關重要。

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