雙軌擦除量子比特：通向容錯量子計算的新基石

量子計算有潛力在材料設計、藥物研發、復雜優化等問題上展現出傳統計算機難以企及的能力，但它面臨一個核心難題：量子信息極其脆弱，稍有擾動就可能出錯。在以往的技術路線中，人們希望通過不斷改進器件和控制技術，把各種噪聲都降到足夠低。然而隨著實驗水平不斷逼近當前硬件的物理極限，單純依靠把所有誤差都變小已經越來越困難。近期人們開始轉向另一種思路：不僅關心錯誤有多少，還關心錯誤是什么樣、能不能被及時發現。雙軌擦除量子比特（dual-rail erasure qubit）正是在這樣的背景下受到廣泛關注的一條新路線。它的巧妙之處在于，利用兩個模式共同編碼一個量子比特，把原本最常見、最麻煩的某類錯誤（例如光子損失）轉化為一種更容易識別的“擦除錯誤”。這種新型量子比特的優勢在于，一旦系統能夠知道哪里出了錯，后續的量子糾錯就會輕松得多，容錯門檻也會顯著提高。近幾年，圍繞這一新思路，研究人員已經先后提出了完整的超導實現方案，并在實驗上實現了雙軌編碼、擦除探測以及中途擦除檢查等關鍵功能模塊，顯示出它在通向容錯量子計算道路上的重要潛力。

引言：為什么需要雙軌擦除量子比特

量子計算機之所以難以實現，主要原因是它對誤差極其敏感。經典計算機中的比特，寫錯了可以靠成熟的電路設計和冗余機制來保證穩定；而量子比特中的錯誤復雜得多，不僅會發生翻轉，還會丟失相位、泄漏出計算空間，甚至在測量前就失去量子性質。正因如此，容錯量子計算已成為整個領域的核心目標。所謂容錯，并不是要求每個量子比特都絕對不出錯，而是要求即使底層器件不斷出現小錯誤，整個量子計算過程仍能通過編碼和糾錯機制可靠運行。為了做到這一點，人們最早的想法是盡量把物理量子比特做得更好，把門保真度做得更高，把各種噪聲都降下去。但問題在于，現實中的噪聲來源往往很多，而且彼此交織，例如材料缺陷、控制誤差、頻率漂移、光子損失、環境耦合等，它們并不會整齊地排著隊等待被逐個消滅。隨著實驗技術不斷逼近現有平臺的極限，繼續把所有誤差同時大幅壓低，已經變得越來越困難。研究者逐漸意識到：現階段的突破口，未必只來自“誤差更小”，更可能來自“誤差可用”。也就是說，我們不應只盯著錯誤率，更要關注錯誤有沒有某種特殊結構，能否被識別、標記甚至利用。雙軌擦除量子比特正是在這種思想下發展起來的一類新型編碼方案。它的目標不是簡單地回避噪聲，而是把噪聲轉化為一種更容易處理的形式。

通常，當錯誤發生時，系統本身不會主動告訴我們錯誤發生在哪個比特上，只能通過額外的糾錯測量去間接推斷哪一個量子比特出了問題、出了什么問題。“擦除錯誤”則不同，它最大的特點是當錯誤發生時，不僅可以知道發生了什么錯誤，還可以知道錯誤發生在哪個比特上。在量子糾錯中，這種“知道哪里發生了錯誤”的信息非常寶貴。因為一旦位置已知，解碼器就不必在整個系統里盲目搜索，任務會簡單很多。正因如此，如何把沒有規律的誤差變成“可標記的擦除誤差”，已成為近年來量子計算研究中的一個重要方向。

一、雙軌擦除量子比特基本理念

與普通的物理量子比特不同，雙軌比特是把信息分散寫在兩條平行的“軌道”上，也就是說，邏輯信息被編碼進了兩個模式共同構成的單激發子空間之中。這種架構的好處，是讓量子信息不再依賴某一個單獨元件，而是依賴“一個激發在兩個模式之間如何分布”的情形。只要系統還留在這兩個狀態構成的空間里，我們就可以把它當作一個正常的邏輯量子比特來操控、旋轉和測量。

但是，真實硬件總會受到噪聲影響。特別是在超導腔體或振子系統里，一個最常見的過程就是光子損失：原本存在的那個激發忽然消失了。一旦這種事情發生，系統往往會從編碼空間掉到兩個軌道都沒有激發的共同真空態。這個狀態并不屬于比特所在的編碼空間，因此通常被稱為一種泄漏態。雙軌擦除比特方案的精妙之處在于，泄漏態與正常的邏輯子空間在物理上是可區分的，如果實驗裝置能夠檢查系統是否還在單激發子空間中，那么一旦發現它掉到了共同真空態，就等于得到了一個明確的錯誤標記。這樣，光子損失就不再只是普通意義上的退相干，而是變成了一種可識別的泄漏事件，也就是擦除錯誤。

雙軌比特中的誤差大致可以分成三類。第一類是擦除或泄漏誤差。這是雙軌體系最核心的一類錯誤，通常由光子損失引起。它的特點是：當它出現時能夠被探測到，而且能夠確定錯誤出現在哪個比特上。第二類是邏輯的退相位誤差。這種誤差并不會把系統踢出編碼空間，而是改變兩個軌道狀態的相對相位。第三類是邏輯的比特翻轉的誤差。這種誤差會讓激發在兩條軌道之間發生非理想交換，相當于把原本代表邏輯0的狀態誤變成邏輯，或者反過來。它通常來自模式之間不希望出現的耦合、串擾，或者控制脈沖引入的非理想作用。

要使用雙軌擦除比特構建量子計算機，需要上述幾類錯誤具有偏置性：系統中最主要的錯誤是可探測的擦除誤差，而碼空間內部的退相位更小，真正的比特翻轉則更少。也就是說，系統雖然還會出錯，但最常見的錯恰好是最容易被發現的那一種。如果一個普通量子比特出了問題，糾錯程序通常要先回答兩個問題：第一，究竟是哪一個物理量子比特出了錯；第二，它到底是翻轉了、退相位了，還是發生了更復雜的變化。要在大量量子比特中同時完成這種定位和判斷，計算代價是很高的。但擦除錯誤不一樣，錯誤位置不再需要從頭猜起，而是作為一條額外信息直接送到了上層解碼器手中。這樣一來，糾錯程序的任務復雜度會大大降低。

二、物理實現平臺

雙軌擦除比特從理論上看是一個非常優美的方案，但是這一方案能不能用于建造量子計算機，還取決于真實的量子硬件是否滿足它對誤差偏置性的要求。從目前的發展來看，超導體系，尤其是以超導腔和超導量子比特為基礎的電路量子電動力學平臺，已經成為實現雙軌擦除比特的重要舞臺。原因之一是超導量子計算本身發展得快，技術成熟，更重要的是它在“長壽命存儲“”精細操控“”中途檢測”和“快速反饋”這些方面，恰好滿足了雙軌路線的關鍵需求。

雙軌編碼最早在光學系統中得到實驗驗證，但是因為線性光學中單光子之間缺乏強相互作用，因此要實現高保真的條件邏輯門、實時中途檢測、快速反饋和復位，往往需要復雜的資源開銷，因此并不是實現雙軌比特的最優選擇。目前最受關注的實現路線，是用兩個長壽命的超導腔模式來共同編碼一個雙軌比特。簡單來說，就是把前面第二章提到的“兩個軌道”具體變成兩個微波腔模：當單個光子位于第一個腔模中時，對應一個邏輯態；位于第二個腔模中時，對應另一個邏輯態。由于超導三維腔可以擁有非常長的相干時間，這種方案天然適合做高質量量子信息存儲。

為了實現對雙軌比特的量子操控，實驗中還需要引入一個或多個超導transmon（一種流行的超導比特架構）量子比特作為輔助非線性元件。借助這種輔助元件，研究者可以對兩個腔中的總光子數、相對相位和耦合過程進行選擇性控制，從而實現態制備、讀出和門操作。在具體實現上，電路量子電動力學中兩類相互作用尤其重要。第一類是色散相互作用，它允許輔助transmon的頻率對腔中的光子數敏感，從而實現對腔態的非破壞條件測量。第二類是分束器相互作用，它可以讓兩個腔模之間像光學分束器那樣交換激發，從而完成雙軌編碼所需的旋轉和模式變換。這兩種控制方式構成了對雙軌比特的基本控制要素。2023年，Teoh等人的工作系統提出了基于兩個超導腔模的雙軌比特架構，這一方案把單光子空間作為邏輯比特，并進一步給出了態制備、邏輯讀出、單比特門和雙比特門的完整操作設想。

除了“兩個腔+一個輔助transmon”這條路線之外，還有另一種基于超導體系的實現方案：直接用兩個物理超導量子比特來構成雙軌編碼。也就是說，不再把邏輯信息放在兩個腔模中，而是放在兩個互相耦合的超導量子比特的單激發子空間里。這種方案的優點是器件結構相對直接，與現有超導量子處理器的集成更自然；同時，當某個物理比特發生振幅衰減時，系統同樣有機會從單激發子空間掉到共同基態，從而把一部分錯誤轉化為可探測的泄漏錯誤。因此，從原則上說，雙軌的“可擦除”思想并不局限于腔體，也可以在耦合的超導比特體系中體現出來。

2024年Koottandavida等人的一項實驗工作，為雙軌比特的可行性提供了非常直接的證明。研究者在一種緊湊的雙柱超導腔結構中實現了雙軌可擦除比特，并利用輔助transmon對雙軌子空間進行擦除檢測。這類實驗的價值，還在于它把雙軌從“架構設想”推進到了“器件驗證”階段。對于一條新型容錯路線來說，這種從概念到實驗樣機的跨越非常關鍵，因為只有當研究者能在真實硬件上看到擦除檢測確實成立時，后續關于表面碼、解碼器和大規模擴展的討論才有了堅實基礎

三、雙軌擦除比特如何工作

作為一種新的量子計算方案，雙軌擦除比特能否真正被用于實現容錯量子計算，主要看它是否便于利用現有的物理手段進行量子計算所需的操控。對于雙軌擦除比特來說，這意味著不僅要能把量子信息寫入比特的狀態，還要能對這些狀態進行運算，最后把比特狀態所代表的結果讀出來。在這個過程中，還需要盡量保留雙軌比特容易發現錯誤的優點。近幾年的實驗進展表明，這些要求正在逐步成為現實。

首先，雙軌比特需要能夠被準確地制備出來。這意味著要把單個的量子激發放進兩條軌道中的一條，或者讓它以量子疊加的方式同時對應兩條軌道。這樣，雙軌比特才能真正承擔起存儲量子信息的任務。接下來，還要能像操控普通量子比特那樣對它進行運算，也就是通過施加量子門的方式讓信息在兩條軌道之間受控地變化，從而完成量子邏輯操作。最后，再通過輔助的量子器件將邏輯狀態讀取出來，獲得計算的結果。

在狀態制備、量子門操控和狀態測量這幾個方面，雙軌擦除比特與普通量子比特的要求是一致的。雙軌擦除比特的獨特之處在于，它要求在整個計算過程中不斷進行錯誤檢測。對于普通量子比特來說，比特是否發生了錯誤通常無法直接知道，需要通過糾錯過程中的解碼推斷出來；而雙軌擦除比特的優勢在于，最常見的錯誤一旦發生，系統的測量結果就會直接顯示出哪個比特發生了錯誤。這就好比一臺機器一旦出現了故障就能主動亮起警報燈，告訴人們故障出現在什么位置。正是這種能力，使它在量子糾錯中具有獨特優勢。

除了單個量子比特的操作之外，量子計算還要求不同量子比特之間能夠建立聯系，也就是形成糾纏。這一步對雙軌擦除比特尤其關鍵，因為一旦把兩個量子比特聯系起來，系統就會變得更復雜，也更容易受到擾動。換句話說，雙軌比特在靜止時表現出的“錯誤容易被發現”這一優點，到了真正做復雜運算時，能否繼續保持下來，是它能否走向實用的重要考驗。近年的研究已經開始在這方面取得進展，這說明雙軌擦除比特并不只是一個適合存儲信息的概念模型，而是在朝著真正能夠計算的方向邁進。

四、雙軌擦除比特面臨的挑戰

雙軌擦除比特能夠標記錯誤位置這一特點，對于量子糾錯來說非常重要，因為一旦知道哪里出錯了，后續的糾錯過程就會容易得多。也正因為如此，這種量子比特特別適合被放進更大規模的糾錯架構中，幫助量子計算機更穩定地工作。因此，雙軌擦除比特天然地適合作為未來大規模容錯量子計算的一塊基礎模塊，但距離這個目標，它仍然面臨不少挑戰。

首先，最關鍵的“報錯”能力本身必須足夠可靠。系統要既能夠及時發現錯誤，又不能因為頻繁檢查而反過來干擾正常的量子態。這相當于要求系統既要容易與其他器件耦合，以便進行測量，又要能保護自己不受這種耦合的影響。對于目前的控制技術來說，這仍然是個很大的挑戰。其次，雙軌比特不僅要在靜止時表現好，在做邏輯運算時也要保持自己的優勢。因為量子計算不只是保存信息，更重要的是不斷進行邏輯操作，并讓不同量子比特之間建立聯系。一旦進入這些更復雜的步驟，原本容易識別的錯誤是否還會保持原來的形式？還是會變成更難處理的新錯誤？這仍需要進一步研究。再次，雙軌路線在工程實現上也更加復雜。一個雙軌比特往往不只是一個簡單器件，而是由多個部分共同組成。這樣做的好處是可以獲得更好的糾錯特性，但代價是系統的搭建、控制和擴展都會更困難。隨著量子比特數目增加，如何避免不同單元之間互相干擾、如何把大量器件整合到同一塊芯片上，都會成為現實問題。

因此，雙軌擦除比特雖然已經展示出與傳統方案不同的獨特優勢，但仍然需要在器件、控制、糾錯和系統集成等多個方面繼續完善。未來幾年，這一方向真正值得關注的，不只是它還能做出多少新的實驗，更在于它能否把這些局部進展進一步整合起來，最終形成一條真正可擴展的技術路線。如果說傳統思路更像是在與噪聲正面對抗，那么雙軌擦除比特所代表的，則是一種試圖利用噪聲信息的新思路。正是這一點，使它成為當前量子計算研究中一個格外值得關注的方向。

五、未來發展方向與展望

從最近幾年的趨勢看，雙軌比特最短期，也最現實的發展目標，是把已經出現的關鍵原語（Primitive,組成計算機進程的基本操作單元，不可分割、不可中斷）進一步做扎實。這里面最重要的，包括更低擾動的中途擦除檢查、更高保真的單比特和雙比特門、更可靠的邏輯讀出，以及更高效的輔助元件復位與反饋。

比起單器件或雙比特實驗，更能證明雙軌比特獨特價值的，將是小規模糾錯原型的出現。例如，一個小型的表面碼演示或其他糾錯模塊，借助專門解碼策略，表現出比忽略擦除標簽時更低的邏輯錯誤率；又或者在相同物理錯誤水平下，帶擦除信息的架構顯示出更高的容錯閾值或更好的可擴展趨勢。只有當這些系統層面的收益真正被實驗驗證出來時，雙軌比特才會從很有前景的新型編碼進一步升級為被證明能改善容錯效率的新路線。

更長遠地看，雙軌比特的目標當然不是停留在若干漂亮的實驗演示上，而是走向真正的大規模容錯量子計算架構。到那個階段，人們關注的將不再是單個模塊，而是整個處理器：數百乃至數千個雙軌節點如何排布成二維陣列，如何高效進行局域耦合，如何把擦除信息實時送入解碼器，如何在大規模讀出和反饋中保持可控性，以及如何把器件層優勢真正轉化為邏輯層收益。這條長期目標的實現，離不開幾個方面的共同進步。首先是硬件工程，需要更成熟的高品質存儲模塊、更穩定的輔助非線性元件、更低串擾的模塊化布局和更高效的讀出反饋體系。其次是誤差建模與解碼算法，需要更準確地理解擦除、殘余泡利誤差以及相關錯誤如何共同作用。最后，則是系統級設計，需要在資源消耗、糾錯收益和可擴展性之間找到真正可行的平衡點。

結束語：

量子計算的發展，正在從“能不能做出量子比特”逐步走向“能不能做出真正可容錯、可擴展的量子計算機”。在這個過程中，雙軌比特所代表的意義，不僅在于它提供了一種新的編碼方式，更在于它展示了一種新的思路：面對不可避免的噪聲，研究者未必要一味地被動壓低一切誤差，也可以主動利用硬件的物理特性，把原本難以處理的錯誤轉化為更容易識別和糾正的形式。正是這種讓錯誤變得可見的理念，使雙軌擦除量子比特在眾多容錯方案中顯得格外引人注目。盡管這一方向距離大規模實用化仍有不少關鍵問題需要解決，例如更高保真的糾纏門、更低擾動的中途檢測、更成熟的解碼與系統集成等，但近幾年的進展已經表明，這條路線正在從概念設想走向實驗驗證，并逐步朝著完整的容錯架構邁進。可以預期，隨著器件設計、控制技術和量子糾錯理論的進一步發展，雙軌可擦除比特有望成為通向容錯量子計算的重要候選方案之一，也將繼續啟發人們重新思考：未來量子計算的競爭，也許不只是誰更能壓低噪聲，更是誰更能理解噪聲、利用噪聲。

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轉自丨環球財經雜志

作者丨張江

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