英国牛津大学物理学家创造了控制单个量子比特精度的全球新基准，实现了量子逻辑运算迄今最低的错误率——仅0.000015%，即每670万次运算中仅出现一次错误。这一破纪录的成果相比该团队10年前设定的基准提高了近一个数量级。

为更直观地理解这一结果，可以这么说，在给定的一年里，一个人被闪电击中的概率为120万分之一，比牛津大学团队的量子逻辑门出错的概率还高。

相关研究成果近日发表于《物理评论快报》，是迈向实用化、鲁棒性量子计算机的重大进展。

牛津大学团队的离子阱芯片。图片来源：Jochen Wolf、Tom Harty

“据我们所知，这是全球有记录以来最精确的量子比特运算。”论文作者之一、牛津大学物理系教授David Lucas表示，“这是朝构建能够解决现实问题的实用量子计算机迈出的重要一步。”

为了在量子计算机上执行有用的计算，需要在多个量子比特上进行数百万次运算。这意味着如果错误率过高，最终的计算结果将毫无意义。尽管可以通过纠错修正错误，但这需要消耗更多量子比特。这种新方法通过降低错误率，减少了所需的量子比特数量，进而降低了量子计算机的成本和体积。

论文作者之一、牛津大学物理系的Molly Smith指出：“通过大幅降低错误率，这项工作显著减少了纠错所需的基础设施，为未来量子计算机更小、更快、更高效发展铺平了道路。对量子比特的精确控制也将在时钟和量子传感器等其他量子技术中发挥作用。”

这种前所未有的精度水平是通过使用捕获的钙离子作为量子比特实现的。由于长寿命和鲁棒性，钙离子是存储量子信息的理想选择。与传统使用激光的方法不同，研究团队利用电子（微波）信号控制钙离子的量子态。

新方法相比激光控制具有更高的稳定性，同时为构建实用量子计算机带来其他优势。例如，电子控制比激光更便宜、更可靠，且更容易集成到离子阱芯片中。此外，实验是在室温、无需磁屏蔽的条件下进行的，简化了实用量子计算机的技术要求。

此前单个量子比特的最佳错误率纪录为百万分之一，由该研究团队于2014年创造。他们隶属于英国量子计算与模拟中心，该中心是英国国家量子技术计划的组成部分。

研究团队的专业技术还推动了衍生公司——牛津离子公司于2019年成立，后者已成为高性能捕获离子量子比特平台的领先企业。

尽管这一破纪录的成果标志着一个重要里程碑，但研究团队提醒，这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高得多——在目前最好的演示中，约为2000次运算出现一次错误。因此，降低双量子比特门的错误率对构建完全容错的量子机器至关重要。