量子计算机是一类利用量子力学效应（如不同粒子间的量子纠缠）来处理信息的新型计算设备。
量子纠缠会在粒子之间建立一种关联，使得它们能够以一种特殊方式共享量子态：对其中一个粒子进行测量，会瞬间影响其他粒子，无论它们相距多远。
理论上，量子计算机在优化问题与特定计算任务中，有望超越传统计算机。
但它们也极易受环境干扰（即噪声）影响，从而产生量子错误，对计算结果造成不利影响。
在俞大鹏院士的带领下，深圳国际量子研究院贺煜研究员课题组，在硅基量子处理器中开发出一种新型错误检测方法。
这项成果发表在《Nature Electronics》上，该策略不仅能成功检测硅量子比特中的量子错误，还能在检测后保持量子纠缠不被破坏。
该论文共同通讯作者贺煜研究员表示：“在这项工作中，我们利用硅中磷施主的核自旋来编码量子信息，这种原子尺度的器件可作为量子信息处理器使用。”
“真正驱动和激励我们的，是量子计算本身这个宏大的梦想。要让量子计算机真正走向实用，就必须实现容错功能—— 而这意味着，我们必须先发现并解决沿途遇到的所有难题。”
基于稳定子测量的高保真度错误检测
在过去几十年里，量子工程师们提出了各式各样的方法，旨在提升量子计算机处理器的可靠性，最终实现容错运行。
在前期研究的基础上，贺煜研究员及其团队着手开发一种高保真度量子错误检测新策略，该方法依托于所谓的稳定子测量技术。
稳定子是一类数学规则，用于描述正确量子态应具备的性质。
如果量子处理器运行正常、未发生任何错误，稳定子测量结果就会与这些规则一致。反之，若测量结果与预期不符，则表明出现了量子错误。
贺煜研究员解释道：“要实现用于量子错误检测的稳定子，我们需要能进行高保真度、量子非破坏性（QND）错误读取的量子电路。”
“为此，我们采用了一种资源消耗极低的电路：用两个量子比特编码量子信息，再用另外两个辅助量子比特进行稳定子读取。该电路设计充分利用了全连接的施主团簇，让电路编译变得相对简单；同时借助核自旋实现了高保真度的量子非破坏性读取，进而通过稳定子完成高保真度错误检测。”
为评估该方法，研究人员搭建了一个小型硅基量子处理器，它由四个纠缠的核自旋量子比特和一个电子自旋量子比特组成。
系统中的四个核自旋通过一种名为四量子比特 GHZ 态（Greenberger-Horne-Zeilinger 态）的方式实现高度纠缠。
研究团队在这一小型处理器上实现了基于稳定子的错误检测方案，目标是检测出影响单个量子比特的所有可能错误类型。
这也帮助他们弄清了在其硅基量子计算系统中，哪些错误最为常见。
迈向可扩展、高可靠的量子计算机
在团队的初步测试中，他们提出的错误检测策略能够成功实现单量子比特级别的错误检测，且不会引发退相干与信息丢失。
未来，该方法还可进一步优化，并在包含更多量子比特的其他处理器上进行验证。
贺煜研究员表示：“我们证实了硅自旋量子比特系统能够利用稳定子实现量子错误检测，这为容错量子计算奠定了重要支柱。”
“重要的是，我们的电路还揭示了有偏噪声的存在 —— 尽管这是一种预期中的特性，但能通过稳定子直接探测到，依然令人非常振奋。这一发现表明，系统可以利用这类有偏噪声，降低量子纠错的阈值要求，让向容错量子计算机的规模化扩展变得更加可行。”
贺煜研究员及其团队近期的研究成果，有望推动量子技术的未来发展，并助力现有处理器向容错运行更进一步。
与此同时，研究人员正致力于开发新型量子处理器，以更好地适配特定类型的计算任务。
贺煜研究员补充道：“我们的下一个目标是构建一台最小化逻辑量子处理器—— 它需具备制备逻辑态、实现通用逻辑量子门以及演示简单逻辑算法的能力，从而将该领域推进至逻辑量子计算的新阶段。”
“这项工作与当前的研究成果相结合，将成为容错量子计算领域向前迈出的重要一步。”
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41928-025-01557-1
