2023年5月4日，正值五四青年节，量子科学与工程研究院党委在深圳量子研究院518报告厅举办了第41期卓粤量子沙龙活动。本次沙龙邀请了南方科技大学量子科学与工程研究院副研究员、博士生导师徐源为研究院师生带来主题为“利用量子纠错突破盈亏平衡点”的报告。本次沙龙的主持人为量子院党委纪检委员、教职工第二党支部书记贺煜。

徐源副研究员围绕其研究团队今年三月在《Nature》期刊发表“Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit”，深入浅出地介绍了什么是量子纠错，为什么需要纠错，该工作到底解决了什么问题，同时也分享了该工作完成过程中团队遇到的困难和挑战，并分享了同为青年科研者的宝贵经验。

基于超导量子线路系统的量子信息处理领域的研究最近几年取得了突飞猛进的发展，但由于量子计算机体系的错误率远高于经典数字计算机，想要构建具有实用价值的通用量子计算机，量子纠错必不可少。对量子精准调控以实现量子计算机是第二次量子革命的目标。想要最终实现通用量子计算机，增加比特数目和降低比特错误率需同步进行缺一不可。

徐源副研究员首先从量子纠错的必要性着手，阐述了量子纠错优势是继量子优越性之后，达到通用量子计算之前的关键一步。其团队的工作在离散变量编码的逻辑比特上实现了量子纠错优势，即纠错过程带来的增益超过这个过程中引入的额外错误，突破了该体系的盈亏平衡点。

在本次报告中，徐源老师先介绍了经典计算纠错的基本原理，进而过渡到量子纠错的方案。传统的量子纠错方案编码一个逻辑量子比特需要多个冗余的物理比特，不但需要巨大的硬件资源的开销，并且发生错误的通道数也会随着比特数的增加而显著增多，可能会呈现“越纠越错”的尴尬局面。虽然这种量子纠错方案已经有多个演示性的实验研究工作，但仍然无法解决量子纠错过程中“越纠越错”的问题，未真正超越盈亏平衡点，也就是说，量子纠错之后的效果还远没有达到该系统中不纠错情况下的最好值，无法真正产生正的量子纠错增益。这也是当前量子纠错技术无法实用化、可扩展发展的核心瓶颈。

为克服上述难题，也可以利用玻色模式系统中的无穷维希尔伯特空间，实现量子信息的冗余编码与量子纠错。基于玻色模式中的离散光子态实现的二项式编码具有逻辑码字严格正交、兼容可纠错逻辑量子操控与量子网络等优点，是现阶段主流的量子纠错方案。

对二项式编码的逻辑量子比特而言，当编码空间发生单光子数损耗错误时，光子态的宇称信息将会发生翻转，因此可以通过探测宇称算符来检测单光子损耗错误的发生，并基于探测结果对逻辑比特进行纠错。对于多光子丢失错误，则需要利用高阶的二项式编码。

徐源副研究员的团队历经艰难险阻，设计和实现低错误率的错误症状探测方法，改进和优化量子纠错技术等实验手段，最终在玻色模式中实现了基于离散变量的二项式编码的逻辑量子比特，并通过实时重复的量子纠错过程，延长了量子信息的存储时间，突破了盈亏平衡点16%。

最后，徐源副研究员讲述了他入职南科大后从设备搭建到样品测试开发的整个心路历程。其团队经过几年的潜心艰苦攻坚，最终文章顺利发表。最后，他鼓励在座的的青年教师和学生：要发掘有限的资源，做重要的工作；瞄准一个点，深度挖掘；回归初心，保持对量子物理的好奇心。