北京量子信息科學(xué)研究院和中國科學(xué)院高能物理研究所等單位組成的研究團(tuán)隊，在國際上首次給出了宇宙線導(dǎo)致超導(dǎo)比特產(chǎn)生關(guān)聯(lián)錯誤的直接證據(jù)。相關(guān)論文 “Cosmic-ray-induced correlated errors in superconducting qubit array”于2025年5月20日正式發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
在量子計算領(lǐng)域，多比特同時發(fā)生錯誤會顯著影響糾錯碼的效率，特別是對廣泛使用的表面碼等技術(shù)方案構(gòu)成挑戰(zhàn)。因此，深入理解并有效抑制量子處理器中的關(guān)聯(lián)錯誤，是推動大規(guī)模容錯量子計算發(fā)展的關(guān)鍵之一。近些年，學(xué)術(shù)界普遍懷疑宇宙線可能是引發(fā)量子比特關(guān)聯(lián)錯誤的重要因素，但一直缺乏直接的實驗證據(jù)。
本項研究通過持續(xù)監(jiān)測超導(dǎo)量子芯片中多量子比特同時電荷-宇稱翻轉(zhuǎn)（multi-qubit simultaneous charge-parity jumps, MQSCPJ）事件，發(fā)現(xiàn)量子芯片上關(guān)聯(lián)錯誤的發(fā)生時間與μ子穿越芯片的事件高度重合。這直接表明μ子是超導(dǎo)比特關(guān)聯(lián)錯誤的重要來源之一。為進(jìn)一步厘清不同射線來源的貢獻(xiàn)，研究團(tuán)隊開展了鉛桶屏蔽實驗，區(qū)分了宇宙線中不同粒子對關(guān)聯(lián)錯誤的影響，發(fā)現(xiàn)μ子與γ射線引起的關(guān)聯(lián)錯誤各自約占18%和82%。本項研究為理解量子比特關(guān)聯(lián)錯誤的物理機制提供了關(guān)鍵證據(jù)，對提升量子處理器的穩(wěn)定性與可擴展性具有重要意義，也為未來構(gòu)建高可靠性的容錯量子計算系統(tǒng)奠定了堅實基礎(chǔ)。
相較于此前其他研究團(tuán)隊常用的多比特同時翻轉(zhuǎn)（multi-qubit simultaneous bit flips，MQSBF）監(jiān)測方法，本研究提出的MQSCPJ方案在靈敏度和效率上均表現(xiàn)優(yōu)越。理論分析表明，該方法具備探測單個準(zhǔn)粒子遂穿事件的能力，顯示出極高的檢測精度。此外，研究結(jié)果還表明，超導(dǎo)量子芯片不僅是量子計算的核心元器件，也可作為高靈敏度探測器，用于觀測meV量級的低能聲子及太赫茲頻段光子，展現(xiàn)出在暗物質(zhì)探測與宇宙微波背景輻射研究等基礎(chǔ)物理領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值。
該工作的的主要參加者包括北京量子信息科學(xué)研究院超導(dǎo)量子計算團(tuán)隊的李薛剛、王駿華、于海峰等人以及中科院高能所理論室的蔡肖夏等人和實驗物理中心的丁雪峰。本工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院高能物理研究所引進(jìn)人才項目等相關(guān)項目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59778-z
(a) 連續(xù)監(jiān)測多比特同時電荷-宇稱翻轉(zhuǎn)事件的時間序列。(b), (c) 典型重合（同時發(fā)生）事件的時間片段，同時顯示為峰值的MDA和MDB電壓被識別為μ子事件。(d) MQSCPJ實驗中相鄰重合事件之間的時間間隔直方圖。?(e)與(a)類似，使用的是監(jiān)測多比特同時翻轉(zhuǎn)（MQSBF）方法來識別關(guān)聯(lián)錯誤事件。(f)與(d)類似。(g)，(h) 展示了MQSCPJ和MQSBF速率的平均動態(tài)過程，并擬合得到關(guān)聯(lián)錯誤發(fā)生的時間長度分別為 36±3 μs 和 21±2 μs。
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