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(duì)，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(shí)驗(yàn)證據(jù)。
本項(xiàng)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(duì)開展了鉛桶屏蔽實(shí)驗(yàn)，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(xiàng)研究為理解量子比特關(guān)聯(lián)錯誤的物理機(jī)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(kuò)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
相較于此前其他研究團(tuán)隊(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)目等相關(guān)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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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