量子计算，正迎来一个激动人心的时刻。
10月21日，IonQ宣布使用IonQ专有的电子量子比特控制技术（EQC）实现了全球最高的双量子比特门性能，保真度超过99.99%，且无需基态冷却。这一纪录超过了Oxford Ionics（现为IonQ的一部分）在2024年创下的99.97%的世界纪录，较其提升近3倍。其技术论文同步发表于arXiv平台。
这是第一家也是唯一一家突破“四九”基准的量子计算公司。IonQ的超高量子比特性能加速了公司向大规模容错系统迈进的道路，并释放了主要优势：
-纠错性能显著提高：极高的物理门保真度意味着更少的物理量子比特就能构建稳定的逻辑量子比特，这极大减少了容错系统所需的物理资源开销。同时，比之前的黄金标准99.9%的性能提高1010（10000000000倍）；
-可以解决复杂的突破性用例：高性能量子比特能够实现低性能系统无法处理的复杂算法，为药物发现、材料科学、金融建模等领域的突破性应用提供了硬件基础；
-产品交付加速：容错系统的构建不再需要庞大的物理比特库，缩短了从实验室原型到商业化容错系统的路线图时间，显著降低了大规模系统的成本和复杂性。
总之，这不仅仅是一次技术上的胜利，更是容错量子计算时代加速临近的强力信号。
突破“四个九”
IonQ此次发布的技术论文详细展示了其突破性的“平滑门”技术。该技术通过创新的绝热消除方法，成功将双量子比特门保真度提升至99.99%，较2024年牛津离子学（现为IonQ的一部分）创下的99.97%世界纪录又提高了近3倍。这一突破意味着量子计算机在执行复杂算法时的错误率将大幅降低，为实现百万量子比特的规模化目标奠定了坚实基础。
根据论文数据，研究团队采用“子空间泄漏误差随机基准测试（SLERB）”对门性能进行严格评估。
在多普勒温度下，研究团队对多达N=500个顺序Clifford门进行了SLERB布居数测量，平均平滑双量子比特门错误率ε₂q=1.16×10⁻⁴，保真度达99.9884%。更令人振奋的是，在最多N=200个Clifford门的序列中，门错误率低至8.4×10⁻⁵，保真度高达99.9916%，创造了全球最高纪录。
图：子空间泄漏误差随机基准测试显示了多达500个顺序Cliffords对量子比特对的应用。对于~1000个双量子比特门，量子比特以~90%的概率保持初始状态，表明错误率为~0.01%。
来源：IonQ
当今量子计算机的性能受到其双量子比特门的错误率的限制，称为“双量子比特门保真度”。这个数字在很大程度上定义了量子计算性能——衡量量子运算的准确性。随着保真度的提高，必须解决的错误更少，并且可以运行更复杂的算法。
业界普遍认同，迈向容错量子计算是实现量子计算大规模商业化应用的关键一步。容错量子计算需要将多个物理量子比特编码成一个“逻辑量子比特”，以抵御环境噪声。这一编码过程对物理量子比特的保真度有着苛刻的要求。
IonQ此次实现的99.99%，正是跨越了一个至关重要的阈值，即“四九”保真度。这一成就不仅超越了此前99.9%的标准，根据IonQ的测算，在相同规模的设备上，这一突破将使错误校正后的性能提升1010倍。
“达到四九保真度是IonQ量子领导地位的分水岭，”IonQ董事长兼首席执行官 Niccolo de Masi表示。“几十年来，这种量子性能水平一直是该行业的北极星，跨越它使容错量子系统离大众市场采用更近了几年。对于我们的全球客户来说，这意味着更快地从量子计算中释放更多价值，同时显著降低大规模系统的成本和复杂性。
如何实现99.99%保真度？
有没有一种方法，既能实现超高保真度，又能摆脱对基态冷却的依赖？IonQ的电子量子比特控制（EQC）技术与“平滑门”技术正是对这一问题的最好回答。
（一）电子量子比特控制（EQC）技术
电子量子比特控制（EQC）技术，通过近场磁场梯度替代激光实现量子比特操控，从根本上解决传统技术的痛点：
图：电子量子比特控制（EQC）技术
来源：Oxford Ionics
无基态冷却运行：EQC技术通过绝热消除自旋-运动纠缠误差，使离子在多普勒极限温度以上仍能保持高保真度。实验数据显示，当离子平均声子数从0.053（基态附近）提升至9.4（远超多普勒极限）时，双量子比特门误差率始终控制在5×10⁻⁴以内，彻底摆脱对基态冷却的依赖，将量子电路运行效率提升超10倍。
抑制兰姆-迪克效应：传统激光操控中，兰姆-迪克效应会随离子温度升高导致误差放大，而EQC技术通过射频与微波场梯度操控，使兰姆-迪克参数趋近于零，温度相关误差被大幅抑制。
半导体级集成：EQC技术将量子比特控制组件全部集成到经典半导体芯片中，通过标准CMOS工艺量产。相较于传统激光系统，EQC芯片体积缩小至1/1000，功耗降低90%以上，且支持多量子比特阵列的并行操控，为256比特及以上规模系统奠定硬件基础。
这些优势为实现“无冷却”的高保真度量子门奠定了物理基础，但要将理论潜力转化为实验现实，还需要一种能够主动消除运动纠缠的门方案，“平滑门”由此诞生。
（二）“平滑门”技术
“平滑门”技术首次实现了在高于多普勒极限温度下仍能保持超高保真度运行。其革命性创新表现为采用绝热消除自旋-运动纠缠（AESE）。
在传统的几何相位门中，研究人员通常采用固定失谐δg，并通过快速开启/关闭门拉比频率Ωg(t)来实现纠缠操作。这种方法被称为“非绝热消除自旋-运动纠缠”。其原理类似于“抓住离子在相空间原点返回的瞬间”关闭门控场。但问题是，一旦时序或频率出现微小偏差，就会导致残留的自旋-运动纠缠，进而引发误差。
平滑门则通过缓慢调整门失谐频率δ(t)，同时保持门拉比频率Ωg恒定，实现了对自旋-运动纠缠的绝热控制。这种方式既能满足实验所需绝热条件，又能保持较高的纠缠产生速率（门速度），同时无需对Ωg进行精确调节和扫描。
图：平滑门操作过程中的频率动态
来源：论文
实验数据显示，即使在平均声子数高达n̄=9.4(3)的情况下，平滑门仍能保持≤5×10⁻⁴的错误率。这一突破性进展意味着量子计算机可以摆脱对昂贵且耗时的基态冷却过程的依赖，使量子电路执行速度提升一个数量级以上，同时显著简化设备设计和光学工程。
总而言之，平滑门为离子阱量子计算架构带来了“性能更优、速度更快、结构更简”的三重突破。
离子阱路线突出重围
IonQ这一创举突破了多普勒限制，加速量子计算的“无冷却”时代的到来。
实验结果表明，“平滑门”在无需基态冷却、仅进行多普勒冷却的情况下，仍能实现99.99%以上的超高保真度。这一结果打破了长期以来的认知惯例。此前所有高保真度离子阱量子门99.9的演示，无一例外都依赖于昂贵且耗时的基态冷却。而IonQ的这项成果，相对于此前在非基态冷却下报道的最佳保真度99.2%，实现了约100倍的提升。
更为关键的是，“平滑门”的错误率对声子数表现出极高的不敏感性。即使在栅极模式的平均声子数高达n̄=9.4(3)的“热”状态下，门错误率依然保持在5×10⁻⁴的容错范围内。这表明，离子阱量子计算可以在高于多普勒极限的温度下，依然保持高保真度的量子操作，从而实现更快、更简单的设备运行。
此外，实验还证明，“平滑门”对频率波动的鲁棒性更强。通过对绝热的“频率调制”机制，平滑门有效地将对相空间精确定时的要求，转化为对缓慢变化的绝热条件的满足，从而极大地提升了量子门对环境噪声和温度波动的免疫力。
当然，不可否认的是，IonQ此次突破也进一步拉大离子阱技术在保真度上的优势，缩小在可扩展性上的差距。
当前量子计算领域形成离子阱与超导两大主流技术路线，通过对以IonQ为代表的离子阱路线和以谷歌等为代表的超导路线的比较，我们可以清晰看到，离子阱技术在保真度、功耗与冷却需求上优势显著，而超导技术在门速度与量子比特数量上暂时领先。
图：离子阱、超导技术路线对比图
来源：光子盒
但IonQ计划2026年推出的256比特系统，将通过EQC技术的并行操控能力，实现量子比特数量的快速追赶，同时保持“无低温制冷”的独特优势，适用于数据中心、边缘计算等商用场景。
结语
在量子计算的高速竞赛中，谷歌的Willow、中国的“祖冲之三号”、以及IonQ的离子阱技术，各自在不同的技术路线中发光发热。
IonQ此次以电子量子比特控制（EQC）技术为核心，实现99.99%双比特门保真度的创举，不仅创造了双量子比特门保真度新世界纪录，为量子计算树立了新的性能标杆，更在技术层面上解决了离子阱量子计算长期以来对极端低温冷却的依赖。
“平滑门”与电子量子比特控制（EQC）的协同，证明了在多普勒温度下运行超高保真度量子逻辑门的可行性。这一技术突破，为QCCD架构从“慢速”的实验室原型向“高速”的商业化容错系统转变描绘了清晰的技术路径。
未来的量子世界，必将是容错技术主导的时代。正如IonQ公司Oxford Ionics的联合创始人Chris Ballance博士所言，“这是量子计算行业的关键时刻，因为我们现在已经在大规模制造技术上创下了世界纪录的量子计算性能，走在了通往数百万量子比特的清晰道路上，同时更快地解锁强大的新商业应用。”
[1]https://investors.ionq.com/news/news-details/2025/IonQ-Achieves-Landmark-Result-Setting-New-World-Record-in-Quantum-Computing-Performance/default.aspx
[2]https://ionq.com/blog/accelerating-towards-fault-tolerance-unlocking-99-99-two-qubit-gate
[3]https://arxiv.org/abs/2510.17286