比闪电更锐利：牛津大学实现670万分之一的量子突破

为了更直观地理解这一结果：一个人在特定年份内遭遇雷击的概率（120万分之一），比牛津量子逻辑门发生错误的概率还要高。

发表在《物理评论快报》上的这些发现，是朝着构建稳健实用量子计算机迈出的重大进展。

论文合著者、牛津大学物理系戴维·卢卡斯教授表示："据我们所知，这是全球有史以来精度最高的量子比特操作记录。这是构建能够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，需要在多个量子比特上运行数百万次操作。这意味着如果错误率过高，计算最终结果将毫无意义。尽管纠错技术可用于修正错误，但代价是需消耗更多量子比特。新方法通过降低错误率，减少了所需量子比特数量，从而降低了量子计算机本身的成本与体积。

共同第一作者莫莉·史密斯（牛津大学物理系研究生）指出："这项工作通过大幅降低错误概率，显著减少了纠错所需的基础设施，为未来量子计算机实现更小型化、更快速、更高效率开辟了道路。量子比特的精确控制也将有益于其他量子技术，如量子钟和量子传感器。"

这种前所未有的精度是采用捕获的钙离子作为量子比特（量子位）实现的。因其长寿命和强鲁棒性，钙离子是存储量子信息的天然选择。与使用激光的传统方法不同，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、更稳健，且更易集成到离子囚禁芯片中。此外，实验在室温且无磁屏蔽环境下进行，从而简化了实用量子计算机的技术要求。

牛津团队于2014年创下的先前最佳单量子比特错误率为100万分之一。该团队的专业积累促使衍生公司Oxford Ionics于2019年成立，该公司现已成为高性能囚禁离子量子比特平台的公认领导者。

尽管这项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和双量子比特门协同工作。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500分之一（原文为1 in 2000）——因此降低其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·盖利博士和戴维·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），该机构是英国国家量子技术计划的重要组成部分。