杜江峰院士、林毅恒教授等合作，在离子阱平台实现自动量子纠错，跨过存储盈亏平衡点

近日，杜江峰院士，中国科学技术大学自旋磁共振实验室林毅恒教授、量子信息实验室邹长铃教授等研究人员合作，在离子阱量子计算平台实现了多轮自动量子纠错。

研究团队利用单个钙离子（⁴⁰Ca⁺）的内部多能级结构编码逻辑比特，并通过耗散工程转移并清除相位噪声，使逻辑比特的相干寿命超越了系统中最佳物理比特，跨越了量子纠错的“盈亏平衡点”。

相关研究成果于2026年10月发表于《自然·物理》（Nature Physics）。

放弃测量-反馈，基于耗散工程的自动纠错

传统的量子纠错方案通常依赖对错误症状的实时测量与连续反馈控制。这一过程需要高精度的中途测量技术，同时会引入显著的额外时间延迟与硬件控制复杂度。

本次研究采用自动量子纠错机制，利用量子系统的工程耗散过程替代连续测量与反馈。

研究团队在 Paul 阱中捕获两个 ⁴⁰Ca⁺ 离子。其中一个作为编码离子，利用其 3²D₅⁄₂亚稳态亚能级中的 4 个 Zeeman 能级构造逻辑代码空间。

由于环境磁场波动引起的相位翻转是该系统的主要噪声源，这种四能级编码可以在数学上将相位误差映射到与逻辑空间正交的错误空间中。

当系统受磁场噪声干扰发生相位退相干时，研究团队通过施加多频 729 nm 拉曼边带激光驱动，将逻辑比特与离子双体系统的共有拉曼振动模（声子）耦合，将错误引入的熵相干转移至振动声子激发表态 （|0⟩ₘ → |1⟩ₘ）

另一个离子作为辅助离子，专门用于协同冷却。利用聚焦的 729 nm 激光作用于辅助离子，配合全局 397 nm 和 866 nm 激光，在 90 微秒内将共有振动模的热熵散逸并重置回基态，从而在不破坏编码离子内态的情况下完成一次不依赖测量的自动纠错循环。

图｜多级量子纠错实验方案。a. 实验装置结构图：展示限制在线性刀锋型 Paul 阱中的两个 ⁴⁰Ca⁺+ 离子。左侧橙色离子为编码离子，利用其内部多个能级编码逻辑量子比特；右侧蓝色离子为辅助离子，用于通过协同冷却实现自动量子纠错。b. 离子能级结构图，用于构造逻辑代码空间与错误空间。c. 逻辑态与错误态的维格纳函数（Wigner functions）准概率分布，当发生磁场相位噪声时，状态被映射至下方红框所示的正交错误态空间；自动量子纠错过程则通过相干驱动将错误态无损复原至代码空间。（来源：Nature Physics）

实验数据与盈亏平衡点验证

为了评估自动纠错对量子存储寿命的提升效果，研究团队对比了三种配置下的过程保真度衰减过程：

分别是最佳物理比特（位于 3²D₅⁄₂亚能级）、未纠错的逻辑比特，以及施加连续自动纠错的逻辑比特。

数据显示，在实验室环境残余磁场波动（峰峰值约 0.9 nT）下，最佳物理比特的相干寿命为 29.4±2.6ms，未纠错逻辑比特寿命为  24.7±2.6ms；而经过多轮自动纠错保护的逻辑比特相干寿命延长至42.7±9.0ms，突破了盈亏平衡点。寿命提升因子Λ=1.45±0.33 。 

为了在更严苛的噪声环境下检验系统鲁棒性，研究团队向系统注入了截止频率为 10 Hz、标准差约为 16 nT 的高强度低频高斯磁场噪声。

在此条件下，最佳物理比特寿命骤降至 0.98 ± 0.01ms，未纠错逻辑比特寿命降至0.83±0.04ms ；而自动纠错逻辑比特的相干寿命仍保持在 11.7 ± 0.8 ms，提升因子达到 Λ=11.9+0.8。

图｜超越盈亏平衡点的自主QEC演示。a. 实验室自然环境噪声下的过程保真度 FX 随演化时间 t 的衰减曲线，左下角小图：演化时间在 t = 29ms（历经 9 轮自动纠错循环）时 15 次独立测量中逻辑比特保真度（纵轴）与物理比特保真度（横轴）的散点对比。斜对角线代表盈亏平衡线，落在灰色阴影区（对角线上方）的数据点表明该轮测量中逻辑比特性能超越了物理比特。b. 注入低频高斯磁场噪声下的保真度衰减曲线： 在人工注入强磁场噪声下，最佳物理比特与未纠错逻辑比特快速退相干；而自动纠错逻辑比特显示出强大的噪声防护能力，提升因子达 Λ=11.9+0.8，确定性跨越盈亏平衡点。（来源：Nature Physics）

局限性与后续研究方向

尽管该方案在单离子硬件效率上展现出明显优势，但研究团队也在论文中指出了当前的物理约束与局限。

首先，其针对的噪声类型有限，当前的 4 能级代码仅能纠正 1 阶相位误差，对于高阶相位变化或自旋翻转误差，该代码无法自动恢复。

其次，对于控制脉冲引入的额外误差，纠错循环中的 AC Stark 位移波动（贡献约 1.0%~5.1% 的不保真度）以及声子模频率漂移（贡献约 1.7%），是限制纠错保真度的主要物理因素。

对于在扩展上，目前成果集中于单个逻辑比特的保护。未来若要推广至容错量子计算，仍需探索在更多离子间扩展能级空间以抵御更高阶误差，以及在被保护的逻辑比特之间实现高保真度量子逻辑门操作。

总的来说，该研究将单离子多能级 qudit 编码与无测量的自动纠错相结合，为解决传统量子纠错中庞大的硬件开销以及中途测量/实时反馈带来的控制复杂度，提供了一条高硬件效率的技术路径。

这项成果不仅确定性地跨越了离子阱平台的量子存储盈亏平衡点，也为构建高稳定性的量子存储单元及大规模容错量子计算机奠定了实验基础。

此外，这种基于工程耗散的自动熵散逸机制，也为中性原子阵列、固态色心及稀土离子等同样具备丰富内部能级结构的量子平台，提供了可跨体系借鉴的纠错思路。

引用：

[1]https://doi.org/10.1038/s41567-026-03315-2

[2]https://news.ustc.edu.cn/info/1055/96704.htm

[3]https://doi.org/10.1038/s41567-026-03486-y

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