牛津大學的物理學家在量子比特控制方面取得了前所未有的準確性，實現了在 670 萬次單比特操作中僅出現一次錯誤，錯誤率為 0.000015%。這一進展比該小組十年前創下的世界紀錄提高了近十倍，將於本週在《Physical Review Letters》上發佈，標題為「單比特閘的錯誤率達到 10⁻⁷ 水平」。
牛津大學指出，這種錯誤的發生率極低，甚至比一年內被雷擊的概率（約 1/120 萬）還要小。這一可靠性的提升解決了當前實驗室規模設備與實用量子計算機之間的一個主要障礙。
量子計算機需要運行數百萬次操作，並在大規模量子比特陣列中進行運算。如果每個閘的錯誤率過高，最終的計算結果將變得模糊不清。雖然錯誤修正碼可以挽救計算，但每個「邏輯」量子比特需要額外的量子比特來監控錯誤，這樣會增加成本、體積和複雜性。
牛津大學物理系研究生兼該研究的共同作者莫莉·史密斯（Molly Smith）表示：「通過大幅降低錯誤的可能性，這項工作顯著減少了錯誤修正所需的基礎設施，為未來的量子計算機變得更小、更快和更高效鋪平了道路。對量子比特的精確控制也將對其他量子技術，如時鐘和量子傳感器，具有重要意義。」
這一紀錄是在單個被捕獲的鈣離子上創造的，該量子比特因其長壽命和固有的穩定性而受到重視。與許多傳統激光脈衝的實驗不同，牛津小組使用精確調整的微波信號來引導離子的量子狀態。電子控制的成本更低，穩定性也更高，並且與離子捕獲芯片的整合性更佳。
此外，該閘在室溫下運行，無需磁屏蔽，消除了通常使量子原型複雜化的低溫或隔離系統。研究人員認為，這些實用的增益與原始錯誤數字同樣重要，因為其目標是實用的處理器。
此次實驗由史密斯、亞倫·劉（Aaron Leu）、馬里奧·蓋利博士（Dr Mario Gely）和大衛·盧卡斯教授（Professor David Lucas）進行，並有來自大阪大學量子信息與量子生物中心的訪問研究員宮西浩一郎博士（Dr Koichiro Miyanishi）參與。所有參與者均為英國量子計算與模擬中心的成員，該中心是國家量子技術計劃的一部分。
一台完全能運行的量子計算機需要單比特和雙比特閘共同運作。儘管牛津團隊的單比特錯誤率已降至每七百萬次操作一次，但全球最好的雙比特閘仍然約每 2,000 次操作出現一次錯誤。將這一數字降低到同樣的 10⁻⁷ 水平仍然是實現容錯量子硬體的下一個關鍵挑戰。
目前，這一新的單比特基準重新定義了量子邏輯中的「高保真度」，並提供了一條更清晰的工程路徑，這意味著將有更少的量子比特用於監控錯誤、更簡單的控制電子設備，以及有助於將量子系統從專門的實驗室縮小到實用設備的室溫操作。
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