论文标题截图：Nature Physics · 2026-07-13 · DOI: 10.1038/s41567-026-03315-2 （北京量子院供图）

  如果一个量子比特太容易出错，怎么办？

  量子计算领域沿用了多年的标准答案是：用很多物理量子比特，合力保护一个逻辑量子比特。

  但这条路有一个近乎残酷的前提——为了得到一个真正可靠的逻辑量子比特，往往先要付出更多量子比特、更多控制线路和更多纠错操作。而每增加一项操作，本身又可能带来新的错误。

  2026年7月13日，MIT、MIT Lincoln Laboratory与Caltech的研究团队在Nature Physics在线发表了一项实验成果，给出了另一种思路：

  不先增加粒子，而是把一颗40Ca⁺离子内部的六维量子空间利用起来，在单个粒子内编码并纠正一个逻辑量子比特。

  更重要的是，这不只是“做出了纠错动作”。

  突破性成果概览：

  •错误率最多降低2.17(16)倍；

  •在错误阈值ε=0.030(5)处，有用寿命提升到1.53(7)倍；

  •误差增长规律从未纠错时的ε∝χ变成纠错后的ε∝χ²。

  括号中的数字表示末位不确定度，实验误差条与所报不确定度对应68%置信区间。

  这意味着：纠错带来的收益，第一次在这套单粒子方案中超过了编码、控制与恢复操作本身付出的代价。

  纠错的账本：为什么breakeven更重要

  量子纠错有一道必须跨过的线，叫作breakeven，可以理解为“盈亏平衡点”。

  假如编码和纠错操作自身引入的错误，比它们消除的错误还多，那么整套方案即使步骤完整，也没有实际收益。只有当纠错后的逻辑量子比特比原始物理量子比特更可靠、维持得更久，才算真正跨过这条线。

  研究团队用“有用寿命”来比较二者：当允许的错误率上限为ε时，一个量子比特能在这个上限之下维持多久？逻辑量子比特与物理量子比特的寿命之比记作Λ(ε)。只有Λ>1，纠错才是净赚。

  实验测得最高Λ(ε)=1.53(7)。这个数字不算夸张，却比一句笼统的“成功纠错”更有分量。

  六维空间：一颗离子里不止有“0”和“1”

  普通量子比特只使用两个量子态。但真实的原子和离子往往拥有更多可控能级；如果把这些额外状态也纳入编码，它就不再只是qubit，而是更高维的qudit。

  团队使用单个40Ca⁺离子的亚稳态D5/2能级。该能级的总角动量J=5/2，对应六个磁量子数状态。研究者没有把这六个状态当作多余的“房间”，而是把它们组织成一组spin-cat（自旋猫态）逻辑码字。

  直观地说，原本只放在两个能级中的量子信息，被重新铺展到更大的内部状态空间。这样一来，磁场波动造成的退相干不再只是把信息悄悄抹去，它还会把量子态推向特定的“错误子空间”，给恢复操作留下可识别的结构。

  这种编码不是停留在概念图上。研究团队制备了逻辑Bloch球上的六个基准态，保真度全部不低于0.996。下图给出的示例中，物理量子比特保真度为0.9995，逻辑spin-cat量子比特保真度为0.997。

图 1｜物理量子比特与逻辑spin-cat量子比特的态层析结果。（北京量子院供图）

  逻辑态的初始保真度没有高过物理态，反而说明评价纠错不能只盯着“起跑线”。真正的问题是：经过同样的噪声之后，谁的错误增长得更慢，谁能在目标错误率之下坚持得更久？

  不测量“病情”，也能把错误送出去

  传统纠错通常需要一个辅助量子比特：让它与数据量子比特纠缠、读取错误综合征，再根据测量结果决定如何恢复。对qudit而言，高保真纠缠门和无损综合征测量都很难，这也是单粒子纠错长期停留在理论层面的重要原因。

  此次实验的解法很巧：把离子的运动模当成一个可重置的“错误回收站”。

图 2｜单离子逻辑量子比特的编码、噪声作用、解码与恢复流程。（北京量子院供图）

  整个过程可以压缩成四步：

  1.把量子信息编码成D5/2六维空间中的spin-cat逻辑态；

  2.环境中的磁场波动带来相位噪声；

  3.解码操作把一阶相位错误转换成可分辨的能级占据——正确分量位于mⱼ=±5/2，一阶错误分量位于mⱼ=±3/2；

  4.729nm激光脉冲与增加一个运动量子的蓝边带脉冲，把错误分量送回正确子空间，同时把与错误有关的熵转移到离子的运动状态。

  只要运动模从基态开始，这个过程就是单向的：有错就恢复，无错则基本不动。实验中，离子轴向运动模被初始化在基态的概率约为99%。

  因此，这次恢复操作不需要在电路中途读取辅助量子比特，也不需要用两比特门完成。它不是“发现错误后再下命令”，而是让系统动力学本身把错误导走。

  人工加错：先证明它真的能救回来

  研究者先用射频脉冲施加可校准的Jz旋转，人为制造不同强度的相位噪声。

图 3｜人工相位错误实验。（北京量子院供图）

  随着施加的相位噪声增强，未纠错逻辑量子比特的错误迅速上升；执行恢复操作后，错误曲线显著压低，并与无自由参数的理论曲线保持一致。

  这组图背后不是几百次“漂亮样本”。每一个数据点分别来自：

  •物理量子比特：2,000次试验；

  •未纠错逻辑量子比特：10,800次试验；

  •纠错逻辑量子比特：108,000次试验。

  但人为注入错误只是第一关。真正有说服力的问题是：当噪声来自实验室里自然存在的磁场波动，而不是研究者人为设定统计强度的随机射频相位噪声，这套方法还能不能占到便宜？

  真实噪声：它跨过了breakeven

  团队随后让物理量子比特、未纠错逻辑量子比特和纠错逻辑量子比特在相同环境中等待不同时间，直接测量自然磁场波动引起的退相干。

图 4｜真实环境条件下，错误率随退相干参数χ（下轴）和等待时间（上轴）的变化。（北京量子院供图）

  最值得关注的不是某一个点，而是曲线的形状：

  •未纠错时，错误的一阶主导项近似为ε≈χ；

  •纠错后，一阶项被抑制，主导行为变成ε≈χ²。

  换句话说，在小误差区间，噪声稍微增加时，纠错后的错误不会再按原来的速度增长。最终，纠错逻辑量子比特的错误率相较未编码物理量子比特最多降低2.17(16)倍。

图 5｜不同允许错误率ε下的寿命Λ提升(ε)。（北京量子院供图）

  大码之前，先做一次针对性降噪

  此次工作并不是要宣布：从此不再需要表面码，也不再需要大量物理量子比特。

  更现实的想象是，在进入大型纠错码之前，先用单粒子内部的qudit编码，定向压低系统中最主要、最有偏置的噪声。随后，再把这个已经“预处理”过的逻辑单元，当成更大纠错码中的物理量子比特。

  这有点像先在噪声源附近做一次针对性过滤，再把信号送入更重型的处理系统。它不替代后者，却可能降低后者面对的初始错误率与资源压力。

  原文还指出，这种思路不只适用于离子阱。只要平台具有可控的有限维内部状态，并存在一种占主导地位的噪声机制，就可能设计与硬件相匹配的qudit码。少量量子比特设备和量子网络节点尤其可能受益，因为这些场景往往难以承担庞大的纠错开销，却又对存储寿命非常敏感。

  重要突破，但不是容错量子计算的终点

  实验结果很重要，边界也同样清楚。

  第一，它是针对主导噪声定制的。 实验重点处理40Ca⁺离子中的磁场退相干，并实际恢复一阶Jz错误；它不是对任意错误都同样有效的万能码。

  第二，当前错误率还没有低于原文引用的约1%表面码阈值。 研究团队明确写道，当前演示尚未把错误压到该阈值以下。因此，“已经实现容错量子计算”不是实验结论。

  第三，运动模并非完美辅助系统。 实验测得运动加热率为8.8(5)个运动量子每秒；在最长等待时间下，最多约7%的试次被标记为擦除错误。原文讨论了用另一种离子进行交感冷却，以及把剩余加热事件转成更容易处理的擦除错误，但这些仍是走向实际系统时必须解决的工程环节。

  此外，有限时长脉冲中的失谐、态制备与测量误差、729nm激光功率波动导致的光移，仍构成主要控制误差。相关估计分别约为1%、0.4% 和0.3%。

  量子纠错常被讲成一道规模题：要更多量子比特，更多冗余，更复杂的控制。

  此次实验提醒我们，冗余不一定只来自“更多粒子”。一颗原子离子内部未被充分使用的状态空间，也可以成为保护量子信息的资源；一个原本被视作噪声通道的运动自由度，也可以成为带走错误熵的出口。

  真正值得记住的，不只是2.17倍或1.53倍。

  而是这条路径第一次用实验数据回答了那个最现实的问题：

  当纠错本身也会出错时，它最终还能不能让量子信息活得更久？

  这一次，答案是：能。

  原文链接

  DeBry, K. et al. Error correction of a logical qubit encoded in a single atomic ion. Nat. Phys. https://doi.org/10.1038/s41567-026-03315-2 (2026).

  编译｜杨生哲

  指导｜冯洋

  编辑｜陈治光 朱婧婷