研究进展

        中国科学技术大学教授潘建伟、朱晓波、彭承志和陈福升副教授等，基于超导量子处理器“祖冲之3.2号”在码距为7的表面码上实现了低于纠错阈值的量子纠错，演示了逻辑错误率随码距增加而显著下降。这一成果使得我国达到了“低于阈值，越纠越对”的关键里程碑，同时也开辟了一条较美国谷歌公司更为高效的“全微波控制”新路径，为未来大规模容错量子计算奠定关键技术基础。12月22日，该成果以封面论文和“编辑推荐”的形式发表于国际物理学知名学术期刊《物理评论快报》[1]。

        实现容错通用量子计算机的必要条件是通过量子纠错抑制量子比特的错误率以满足大规模集成的要求。表面码是目前最成熟的量子纠错方案之一。通过表面码将多个物理量子比特编码成一个逻辑量子比特，原理上随着物理比特数目（即码距）的增加，逻辑比特的错误率能够不断降低。

         然而，量子纠错需要引入大量额外的量子比特和量子门操作，导致更多的噪声源和错误通道。如果物理量子比特的原始错误率过高，增大纠错码距带来的额外错误反而会淹没纠错带来的收益，导致“越纠越错”。在所有错误类型中，“泄漏错误”尤为致命——量子比特会脱离预定的计算能级，进入无法通过表面码直接纠正的无效状态。随着系统规模的扩大，泄漏错误的累积效应将成为阻碍纠错性能提升的主要瓶颈。

        中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志、龚明等，与山西大学梅锋等合作，基于可编程超导量子处理器“祖冲之2号”，首次在量子体系中实现并探测了高阶非平衡拓扑相（Higher-Order Nonequilibrium Topological Phases, HOTPs）。这一成果标志着量子模拟在探索复杂拓扑物态方向上取得重要突破，为利用超导量子处理器在量子模拟问题上实现量子优势奠定了基础。相关论文以“Programmable Higher-Order Nonequilibrium Topological Phases on a Superconducting Quantum Processor”为题11月28日发表于国际学术期刊《科学》。

        中国科学技术大学潘建伟、苑震生等首次使用超冷原子光晶格系统实现了对格点规范理论中“弦断裂”（String Breaking）现象的量子模拟，为理解强相互作用体系中的禁闭行为与相变机制提供了重要的实验依据。研究成果以“编辑推荐”（Editors' Suggestion）形式发表于国际学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并被美国物理学会《物理》（Physics）杂志以“Ultracold Atoms Simulate Breaking Flux Strings”为题作为研究亮点专门报道。

        规范理论是现代物理学的核心框架，不仅是描述基本粒子相互作用的基础，也广泛应用于理解凝聚态物理中的各类强关联多体现象。在高度可控的冷原子量子模拟平台上实现对规范理论的模拟，不仅能基于第一性原理研究其动力学过程，还能探索粒子对撞机难于达到的实验参数区域中的物理现象。因此，量子模拟器有望为高能物理问题提供新见解，并成为研究凝聚态拓扑相和低能多体物理机制的有力工具。

        中国科学技术大学潘建伟、陈腾云、陆朝阳等与清华大学马雄峰合作，基于团队自主研制的高品质单光子源，在国际上首次突破此前量子网络限于单个中继节点的技术瓶颈，成功构建出包含多个量子中继节点的可扩展网络架构。这一进展为量子网络从 “单节点连接” 向 “多节点组网” 的跨越奠定关键基础，使更复杂的多层量子网络构建成为可能。这也充分展现了模块化设计的灵活性与信号传输的高效性，为未来大规模量子网络的落地提供了坚实支撑。相关成果已于 2025 年 8 月 26 日发表在国际学术期刊《自然·物理》（Nature Physics）上。

        中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳教授等与上海量子科学研究中心/上海人工智能实验室钟翰森研究员等同事合作，利用人工智能技术，实现了高度的并行性以及与阵列规模无关的常数时间消耗，在60毫秒内成功构建了多达2024个原子的无缺陷二维和三维原子阵列，刷新了中性原子体系无缺陷原子阵列规模的世界纪录。该方法为大规模中性原子量子计算奠定了关键技术基础。相关研究成果于8月9日以“编辑推荐”的形式发表在国际学术期刊《物理评论快报》上，并被美国物理学会《物理》期刊作为研究亮点专门报道。                                                                                     

        5月9日，中国科学技术大学潘建伟、张强、徐飞虎等人联合美国麻省理工学院、中国科学院西安光学精密机械研究所等单位，首次提出并实验验证了主动光学强度干涉技术合成孔径技术，实现了对1.36公里外毫米级目标的高分辨成像。实验系统的成像分辨率较干涉仪中的单台望远镜提升约14倍。该成果以“Active Optical Intensity Interferometry”为题发表在国际学术期刊《物理评论快报》上，被选为编辑推荐论文（Editors’Suggestion），并被美国物理学会（APS）下属网站Physics所报道。            传统成像技术的分辨率受到单个孔径衍射极限的制约。为突破这一物理极限，研究人员长期致力于发展各类合成孔径成像技术。例如，2019年事件视界望远镜（EHT）构建了一个地球尺度的合成孔径，在射电波段成功获得了M87星系中心黑洞的首张图像。这一开创性成果荣获了2020年基础物理学突破奖。然而，由于大气湍流引起的相位不稳定性，EHT所采用的基于振幅干涉的合成孔径技术很难直接应用于光学波段。早在20世纪50年代，英国科学家Hanbury Brown和Twiss（HBT）共同提出了强度干涉成像技术，并于1956年成功实现天狼星直径的测量。

        中国科学技术大学潘建伟、彭承志、廖胜凯等，联合济南量子技术研究院、中国科学院上海技术物理研究所、微小卫星创新研究院等单位组成的研究团队，在国际上首次实现量子微纳卫星与小型化、可移动地面站之间的实时星地量子密钥分发，在单次卫星通过期间实现了多达1百万比特的安全密钥共享。在此基础上，联合团队和南非斯坦陵布什（Stellenbosch）大学科研团队合作，在中国和南非之间相隔12900多公里的距离上建立了量子密钥，完成对图像数据“一次一密”加密和传输。该工作为实用化卫星量子通信组网铺平了道路。相关研究成果于2025年3月20日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。

        通信安全是国家信息安全和经济社会发展的重要基础。基于量子密钥分发的量子保密通信是迄今唯一可实现“信息论可证”安全的通信方式，将大幅提升现有信息系统的安全传输水平。目前，基于光纤链路的城域城际量子通信已发展成熟并初步得以应用。为实现远距离乃至全球化的量子保密通信，需要克服光纤存在的固有损耗以及难以覆盖全球的问题。利用卫星平台进行自由空间量子密钥分发，能够有效克服这些限制，实现全球范围的量子保密通信。

        中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、霍永恒等在国际上首次实现效率超越可扩展线性光量子计算损失容忍阈值的高性能单光子源，相关综合指标达到了国际最先进水平，为未来实现通用光量子计算奠定了关键技术基础。相关研究成果于2月28日在线发表于国际学术期刊《自然·光子学》上。

        光子作为量子信息处理的重要载体，具有速度快、室温操作、抗环境干扰强等优势，但光子易损失的物理特性一直是大规模光量子计算的核心挑战。理论表明，单光子源的效率必须高于2/3的阈值，可扩展的线性光量子计算才具备可行性。然而，历经近半个世纪的技术攻关，此前所有确定性全同单光子源的效率始终未能突破该阈值，成为制约光量子计算发展的关键障碍。

        中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志等，与上海量子科学研究中心、河南省量子信息与量子密码重点实验室、中国计量科学研究院、济南量子技术研究院、西安电子科技大学微电子学院以及中国科学院理论物理研究所等单位合作，成功构建了105比特（包含105个可读取比特和182个耦合比特）超导量子计算原型机“祖冲之三号”，实现了对“量子随机线路采样”任务的快速求解。与现有最优经典算法相比，“祖冲之三号”处理量子随机线路采样问题的速度比目前最快的超级计算机快15个数量级，超过谷歌2024年10月公开发表的最新成果6个数量级[Nature 634, 328 (2024)]。这一成果是我国继超导量子计算原型机“祖冲之二号”实现超导量子计算体系最强量子计算优越性 [PRL 127, 180501 (2021), Science Bulletin 67, 240 (2022)]后，再一次打破超导体系量子计算优越性纪录。相关论文于北京时间3月3日以封面论文的形式发表在国际学术期刊《物理评论快报》上。

        中国科学技术大学潘建伟、苑震生、邓友金等与合作者在超冷原子量子模拟实验中，首次观测到对流超流相（counterflow superfluidity）这一新奇量子物态，证实了对流的双组分超流体共同形成绝缘体的特性。相关成果近日发表在国际知名学术期刊《自然·物理学》（Nature Physics）上。