深圳国际量子研究院超导量子计算实验室研究员徐源： “微观的量子世界让我着迷”

深圳国际量子研究院超导量子计算实验室研究员徐源。

深圳新闻网2024年2月26日讯（深圳商报首席记者 袁静娴 文/图）走进位于河套深港科技创新合作区的深圳国际量子研究院，楼高8层的灰黑色大楼内部正在热火朝天改造中。不久后，这里将入驻一批与量子信息相关的先进设备和平台。去年3月，一篇题为《用离散变量编码的逻辑量子比特突破盈亏平衡点》的论文发表在《自然》杂志上，宣称充分展示了量子纠错优势。主导这项研究的正是来自该研究院超导量子计算实验室的研究员徐源。

“我们在国际上首次利用离散变量编码的逻辑量子比特，延长量子信息的存储时间超过了不纠错物理系统的上限，即突破了盈亏平衡点。”在近日的采访中，徐源告诉记者，此项成果标志着从含噪声量子时代开始步入纠错量子时代，迈向了量子计算发展的新阶段。

迈向通用量子计算，纠错是关键

量子科技是未来信息技术取得颠覆性创新的潜在领域。量子信息技术主要包括量子计算、量子精密测量和量子通信三个大方向，其中量子计算尤为重要，被视为引领未来新一轮算力技术革命的关键。

徐源介绍，简单地说，量子计算是遵循量子力学规律发展起来的一种新型计算模式，以量子比特（也叫“量子位”）为基本处理单位，通过量子叠加、纠缠等原理实现并行计算，尤其是在解决某些复杂问题上提供指数级加速，被认为是未来计算能力跨越式发展的重要方向。

徐源告诉记者，与经典计算机一样，量子计算机在运行的过程中也会发生错误，且现实世界中的量子系统很“脆弱”，很容易受到环境中噪声的扰动，导致量子计算过程中信息的丢失或错误。没有纠错的量子计算机是毫无用处的。为了保证运算结果的可靠性，必须要通过量子纠错技术实时地检测量子比特在哪个时刻发生了何种错误，并及时进行修复。

近些年，随着对量子系统操控能力的提升，人们逐渐开始在不同的量子系统中尝试量子纠错。但是之前所展示的量子纠错实验，要么是通过人为引入一个虚假的“错误”，来展示一个原理性的纠错演示实验，要么是在纠错的过程中额外引入了更多的错误，致使量子纠错“越纠越错”，即纠错之后的效果变得更差了。

“如何利用量子纠错技术，克服‘越纠越错’难题，产生正的量子纠错增益，是构建实用量子计算机的关键。”徐源表示，要想保护量子信息避免环境中噪声的干扰，一方面是要让量子系统尽可能和环境有足够好的隔离，另一方面是要保证能够高精度地操控量子系统，使得纠错时引入的错误尽可能地小于纠正的错误，实现“越纠越对”，才能保证量子计算机最后运算结果的正确性和可靠性。

突破盈亏平衡点，成功展示量子纠错优越性

量子纠错也被称为量子计算领域皇冠上的“明珠”。徐源介绍说，要想开发出实用的量子纠错技术，必须要实现正的增益，也就是所谓的量子纠错优越性。只有当纠正的错误大于纠错过程中引入的错误，纠错的效果才会越来越好。如何利用量子纠错技术极大地延长逻辑量子比特的相干寿命超过不纠错情况下物理体系的上限，也就是超越盈亏平衡点产生正增益，是衡量量子纠错是否具有实际效用的关键判据。 “我们的研究课题正是通过主动的量子纠错手段，来延长量子比特的相干寿命，真正意义上突破盈亏平衡点，使得纠错后的量子系统性能越来越好，也就是让量子比特‘活得更长久’。”

目前，主要有两类主流的量子纠错编码方案，分别是多比特编码和玻色编码。但是目前所展示的量子纠错实验或需要巨大的硬件资源开销，或逻辑码字有缺陷（非严格正交），或无法突破盈亏平衡点等。

为了解决上述问题，徐源在课题研究中利用玻色模式中的二项式编码实现了严格正交的逻辑量子比特，开发了原创的基于频率梳控制的错误探测技术，整合和改进了一系列量子纠错优化手段，最终在国际上首次延长了量子信息存储时间超越盈亏平衡点。这为实现通用容错量子计算机迈出了非常重要的一步。

“我们站在前人的肩膀上，整合和改进了多个量子纠错的关键技术，实现了延长量子信息的存储时间突破盈亏平衡点16%，充分地展示了量子纠错优势。”徐源表示，接下来，课题组将探索提高量子纠错效果，进一步延长量子信息存储时间，以及利用量子纠错优势开发新的逻辑量子控制技术。

与科研为伴，不懈追寻量子科学奥秘

2019年，谷歌率先宣布实现“量子霸权”（量子优越性），一把将量子计算推入公众视野，激起量子计算领域的千层浪。随着“九章”“祖冲之号”等量子计算机的问世，近几年我国量子计算领域得到了飞速发展。

徐源早在大学本科期间，就已经开始对量子信息科学领域充满了浓厚兴趣。2013年，徐源从西安交通大学被保研到清华大学直博，加入了孙麓岩教授课题组，从零开始搭建量子实验平台，构建量子计算机。随着一项项实验的进行，徐源对量子科学的了解也越来越深刻。

“微观的量子世界让我着迷，使我能够全身心投入到每天的科研工作中而不知疲倦，沉迷于量子科学的奥秘，不受任何外界事物的干扰，心无旁骛。”徐源表示，量子世界充满了很多神奇的奥秘，和现实世界完全不一样，比如走迷宫，经典计算需要一条一条遍历和尝试所有可能的路线，最终才能找到正确路径，但是量子计算机有“分身”，它的并行性决定了可以同时跑多条路线，一次就知道正确结果。

2019年，徐源从清华大学博士毕业后，南下深圳加入了量子研究院超导量子计算实验室，开始负责基于超导量子线路系统的量子信息处理领域相关实验研究工作。

谈起深圳，徐源毫说，这是他的第一选择。“一方面是受到中国科学院院士、深圳量子科学与工程研究院院长俞大鹏的感召，愿意给年轻人足够的空间和机会，让他们充分发挥创造力和潜力；另一方面，深圳有着很好的平台，科研人员在深圳可以更方便地进行一些国际前沿方向的研究，这也是我们课题能够很快取得重要成果的一个原因。”徐源表示，做科研是一件充满挑战的事情，但是在深圳这座创新之城做科研，每个人都拥有无限的可能性，都有希望取得巨大的成就。

“每天心里惦记着科研，不停地思考实验的进展、结果和未来规划。”徐源说，当你热爱一件事时，会不由自主地沉浸其中，热爱会不断地推动你思考和行动。