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量子纠错领域首次超越盈亏平衡点

【导读】

南方科技大学俞大鹏院士团队徐源课题组联合福州大学郑仕标、清华大学孙麓岩等团队，在基于超导量子线路系统的量子纠错领域取得突破性实验进展。相关研究成果3月23日发表于《自然》。

联合团队通过实时重复的量子纠错技术，延长了量子信息的存储时间，在国际上首次超越盈亏平衡点，展示了量子纠错优势。这一突破向实用化可扩展通用量子计算迈出了关键一步。

由于量子计算机体系的错误率远高于经典数字计算机，想要构建具有实用价值的通用量子计算机，量子纠错必不可少，因为量子纠错可以有效保护量子信息免受环境噪声干扰。传统的量子纠错方案中，编码一个逻辑量子比特需要多个冗余的物理比特，这不但需要巨大的硬件资源开销，而且发生错误的通道数会随着比特数的增加而显著增多，可能会“越纠越错”。此前，针对该问题已经有多个演示性的实验研究工作，但仍未真正超越盈亏平衡点，即量子纠错后的效果远没有达到该系统不纠错情况下的最好值，无法产生正的量子纠错增益。

为攻克上述难题，联合研究团队利用微波简谐振子或玻色模式系统中的无穷维希尔伯特空间，实现量子信息的冗余编码与量子纠错。在超导量子线路系统中，基于玻色编码的量子纠错方案具有错误类型简单、错误探测方便、相干性能好、硬件更高效、反馈控制易实现等优点。

在该研究中，研究团队通过开发高相干性能的量子系统，设计低错误率的错误症状探测方法，并改进和优化量子纠错技术等实验手段，最终在玻色模式中实现了基于离散变量的二项式编码的逻辑量子比特，并通过实时重复的量子纠错过程，延长了量子信息的存储时间。相关结果首次超过该系统不纠错情况下的最好值，突破了盈亏平衡点。

据介绍，这是国际上首次通过主动的重复错误探测和纠错过程，实现延长量子信息的存储时间超越盈亏平衡点，具有里程碑式重要意义。

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论文信息：

标题：Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit

出版信息：Nature，22 March 2023

DOI：10.1038/s41586-023-05784-4

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我国学者与海外合作者在核材料研究方面取得进展

【导读】

中国科学院宁波材料所黄庆研究员团队与海外合作者成功开发出一种“化学剪刀”辅助的层状过渡金属碳/氮化物结构编辑策略，实现了层状过渡金属碳/氮化物结构拓扑转变及组分精准调控，并创制出一类金属原子插层型二维碳化物新材料。研究成果以“化学剪刀调控层状过渡金属碳化物结构编辑”为题，于2023年3月17日在线发表在《科学》（Science）期刊。

三元层状碳/氮化合物是一类具有六方晶体结构的非范德华纳米层状化合物，分子式为Mn+1AXn。MAX相晶体在先进核能事故容错型核包壳等应用领域受到广泛关注。MXene在光电器件、电化学储能、电磁屏蔽、表面催化和核素分离等领域展现出极大的应用潜力。如何精确调控MAX相和MXene材料二维层间的组分和结构成为制约其实现特定功能应用的重大挑战。

研究团队在“先进核裂变能的燃料增殖与嬗变”重大研究计划等基金项目的支持下，一直致力于三元层状碳/氮化物的创制与核能等领域的应用研究。团队研究表明，非范德华力层状材料层间的打开和闭合完全由“化学剪刀”和客体种类性质而定，而MAX相和MXene之间的拓扑转变可精细化地由四个反应路径完成。MAX相按照“路径I→路径IV→路径III→路径II”拓扑转变顺序多次层间刻蚀和结构组装之后，最终得到一种新型的金属插层型二维碳化物材料。研究工作为该类层状材料的应用（如事故容错型核用包壳、电化学储能、光电功能器件等）提供有效的结构设计手段。

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论文信息：

标题：Chemical scissor–mediated structural editing of layered transition metal carbides

出版信息：SCIENCE，16 March 2023

DOI：10.1126/science.add5901

转自：“科研之友 ScholarMate”微信公众号

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