摘要：2025年6月9日，《物理评论快报》上线了牛津大学物理学家的一项重磅研究：他们操控单个量子比特（qubit）的精度创下世界新纪录，错误率低至0.000015%，相当于每进行670万次操作才出现一次错误。这比他们自己十年前创下的百万分之一的旧纪录，提升了近十倍。

本文来源：科学剃刀

2025年6月9日，《物理评论快报》上线了牛津大学物理学家的一项重磅研究：他们操控单个量子比特（qubit）的精度创下世界新纪录，错误率低至0.000015%，相当于每进行670万次操作才出现一次错误。这比他们自己十年前创下的百万分之一的旧纪录，提升了近十倍。想象一下，一个人一年内被雷劈中的概率（约一百二十万分之一），都比他们这个量子逻辑门出错的机会还要高。

图释：牛津大学团队的离子阱芯片的渲染图。图片来源：Jochen Wolf 博士和 Tom Harty 博士。

量子计算机的核心是量子比特。做一次有用的计算，需要操控数百万次量子比特。如果错误率太高，计算就失去了意义。虽然量子纠错技术能补救错误，但代价是需要大量额外的量子比特来保驾护航。牛津团队这次把单比特门错误率压到千万分之1.5的水平，意义重大——它直接减少了纠错所需的后备量子比特数量，让未来实用化的量子计算机在体积、成本和效率上看到了更现实的曙光。论文第一作者、博士生莫莉·史密斯说得很直接：精确度上去了，纠错包袱轻了，机器才能更小、更快、更便宜。

图释：牛津大学的研究人员在牛津大学物理系的克拉伦登实验室使用实验设备。从左到右：Mario Gely 博士、Molly Smith 和 Aaron Leu。图片来源：Adam Martinez

这精度怎么来的？关键在于他们选的路子和控制方法。他们用的是被束缚在离子阱芯片上的单个钙离子当量子比特。钙离子天生适合存储量子信息，寿命长、扛干扰。更绝的是操控手段：他们没用量子实验里常见的精密激光，而是改用微波信号去控制离子的量子态。这个转变带来了几个实在的好处：第一，微波比激光稳当多了；第二，微波设备比昂贵的激光系统便宜、皮实；第三，微波更容易集成到离子阱芯片上。尤其值得注意的是，整个实验是在室温下做的，连磁屏蔽装置都没用——这大大简化了未来量子计算机工程化的门槛。实验室照片里，设备看着就相对简洁。

图释：牛津大学团队的离子阱芯片照片。图片来源：Jochen Wolf 博士和 Tom Harty 博士。

团队核心、论文通讯作者大卫·卢卡斯教授称，据他们所知，这是全球迄今最精确的量子比特操控。牛津在这领域的积累很深，2014年就是他们自己创下的前纪录（百万分之一错误率），2019年还孵化了专注于离子阱技术的公司牛津离子学（Oxford Ionics）。

图释：牛津大学的研究人员在牛津大学物理系的克拉伦登实验室使用实验设备。从左到右：Mario Gely 博士、Molly Smith 和 Aaron Leu。图片来源：Adam Martinez。

不过，兴奋之余也得看清现实。量子计算机要干活，光有精确的单比特门远远不够。它还需要两个量子比特之间能协同操作的“双比特门”。目前最好的双比特门错误率是多少？大概两千分之一——比这次牛津实现的单比特门精度差了几千倍。这是整个领域迈向实用化必须啃下的硬骨头。牛津团队自己也承认，降低双比特门错误率是构建全容错量子机器的关键挑战。

图释：该研究的牛津作者在牛津大学物理系克拉伦登实验室的实验前。从左到右：David Lucas 教授、Molly Smith、Koichiro Miyanishi 博士、Mario Gely 博士、Aaron Leu。图片来源：莫莉·史密斯。

所以，这项突破是量子计算长征路上一个重要驿站，它证明用微波操控离子阱路线在单比特精度上潜力巨大，为未来实用机器扫除了一部分障碍。但路还长，双比特门的精度鸿沟，等着全世界的物理学家和工程师去填平。

参考文献：

M. C. Smith et al. , Single-qubit gates with errors at the 10 −7 level, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/42w2-6ccy . On arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2412.04421

来源：人工智能学家