比闪电更锋利：牛津大学六百七十万分之一的量子突破

为了更直观地呈现这一结果：一个人在特定年份遭遇雷击的概率（120万分之一），远高于牛津量子逻辑门发生错误的概率。

这项发表于《物理评论快报》的研究成果，是朝构建稳健实用量子计算机迈出的重大进展。

论文合著者、牛津大学物理系大卫·卢卡斯教授表示："据我们所知，这是全球迄今为止记录精度最高的量子比特操作。这是构建能解决实际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效计算，需要在众多量子比特上运行数百万次操作。这意味着若错误率过高，最终计算结果将失去意义。虽然可通过纠错技术修正错误，但这会大幅增加所需量子比特数量。新技术通过降低错误率，减少了所需量子比特数量，从而降低了量子计算机的成本和体积。

共同第一作者莫莉·史密斯（牛津大学物理系研究生）指出："这项研究通过显著降低错误概率，大幅减少了纠错所需的基础设施，为未来量子计算机实现更小体积、更快速度和更高效率开辟了道路。量子比特的精密控制对时钟和量子传感器等其他量子技术同样具有重要价值。"

这一空前精度是通过使用捕获的钙离子作为量子比特实现的。因其长寿命和强稳健性，钙离子是存储量子信息的天然选择。与传统的激光控制方法不同，牛津团队采用电子（微波）信号控制钙离子的量子态。

该方法比激光控制具有更高稳定性，并为构建实用量子计算机带来其他优势。例如：电子控制比激光更经济、更稳定，且更容易集成到离子捕获芯片中。此外，实验在室温且无磁屏蔽环境下完成，从而简化了实用量子计算机的技术要求。

此前最佳单量子比特错误率（同样由牛津团队于2014年实现）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捕获离子量子比特平台的公认领导者。

尽管这一破纪录成果标志着重大里程碑，但研究团队警示这仍是更大挑战的一部分。量子计算需要单量子比特门与双量子比特门协同运作。目前双量子比特门的错误率仍显著更高——迄今最佳演示中约为两百分之一——因此降低双量子比特门错误率对构建完全容错的量子机器至关重要。

实验由莫莉·史密斯、亚伦·卢、马里奥·盖利博士和大卫·卢卡斯教授在牛津大学物理系完成，大阪大学量子信息与量子生物学中心客座研究员宫西幸一郎博士共同参与。

牛津科学家隶属于英国量子计算与模拟中心（QCS Hub），该机构隶属于英国正在实施的国家量子技术计划。