Quantinuum首次实现量子计算的实时纠错

光子盒研究院出品

2021年11月，霍尼韦尔量子解决方案公司(HQS)与剑桥量子合并成立了全世界最大规模的(员工数量最多)量子计算公司Quantinuum。目前作为霍尼韦尔的子公司，Quantinuum实现了又一个新成果——在证明基于离子阱技术的大规模量子计算可行性方面迈出了重要一步。研究人员宣布，他们可以实时检测和纠正量子错误。这在业界尚属首次。

研究论文已经发表在12月23日的PHYSICAL REVIEW X上[1]，而按照学术界的惯例，今年7月霍尼韦尔就在arXiv网站发布了预印版。研究人员详细介绍了他们如何创建单个逻辑量子比特(一系列纠缠的物理量子比特)并应用多轮量子纠错。这个逻辑量子比特可以防止量子计算机中发生的两种主要类型的错误：比特翻转和相位翻转。

目前，大多数量子纠错(QEC)演示都涉及在程序完成运行后纠正错误或噪声，这种技术称为后处理。但是，为了实现可靠的大规模量子计算，系统必须实时纠错。

此外，过去一些研究小组提出的编码只能纠正单一类型错误(比特翻转或相位翻转，但不能同时纠正两者)，包括谷歌、IBM/雷神和IBM/巴塞尔大学。更进一步，一些小组已经演示了量子纠错过程，包括Blatt和Monroe(IonQ创始人)。还有一些小组研究了量子错误检测码，可以检测两种类型的错误，但不能纠正它们，包括苏黎世联邦理工学院、谷歌和代尔夫特理工大学。

这次，Quantinuum的方法同时满足了实时、检测错误和纠正错误三个条件。

论文提到，要实现实时纠错这一高层功能，需要一个系统能够处理几个低层原语，包括单量子比特和双量子比特操作、中间电路测量、测量结果的实时处理，以及对这些测量进行后续门操作的能力。

在这项工作中，研究人员使用Andrew Steane提出的[[7, 1, 3]]色码(color code)。利用霍尼韦尔的离子阱量子电荷耦合器(QCCD)量子计算机中的10个物理量子比特，对单个逻辑量子比特进行编码、控制和反复纠错。

上：[[7,1,3]]色码。七个数据量子比特在多边形的顶点上，三个用于syndrome测量的辅助量子比特在一旁。下：离子阱中有10个¹⁷¹镱离子(红)和10个冷却剂¹³⁸钡离子(白)。离子传输(ion-transport)用于将离子排列到区域中，以便进行门操作和测量。红色和蓝色的电极表示支持传输操作的区域，包括线性传输、晶体分裂和组合以及物理交换。绿色区域支持门操作之间离子的线性传输和存储。

利用编码电路将逻辑量子比特初始化为三个相互无偏基的本征态，然后他们测量了平均逻辑SPAM(状态制备和测量)错误为1.7(2)×10⁻³，平均物理SPAM错误为2.4(8)×10⁻³。

接下来，研究人员对编码的量子比特执行多个syndrome测量，使用实时解码器来确定任何必要的纠正——要么作为对Pauli框架的软件更新，要么作为物理应用的门。此外这些过程在保持相干性的同时重复进行，展示了一个动态保护的逻辑量子比特存储器。上述整个过程叫做QEC循环(cycle)。

然后，研究人员演示了通过编码一个魔法态(magic state)，来执行非Clifford量子比特操作，其中错误率需要低于魔法态制备所需的阈值。最后，他们提出了系统级的模拟，使其能够确定关键的硬件升级，使系统能够达到伪阈值。

Quantinuum的总裁兼首席运营官Tony Uttley表示：“我们取得的成就是开创性的。我们证明了曾经只是理论上的事情，即量子计算机将能够实时纠正错误，为精确的量子计算铺平道路。”

本次工作中使用的是牛津大学Andrew Steane在1996年首次提出的QEC方案，他评价道：“这是一项高质量的实验工作。通过分析某些操作和测量对量子比特的影响来推断是一回事；在实验室中实现完全是另一回事。这项工作突出了所有QEC和容错理论工作中被证明具有实际用途的部分。”

就连来自竞争对手IonQ的量子工程师Laird Egan也说，“这是一个重大的进步，”该公司此前已经实现了离子阱量子比特的QEC方法。“真正与众不同的是多轮真正的容错纠错”——这是IonQ团队尚未实现的。

这一成就代表了大规模量子计算的里程碑，但是Quantinuum的研究人员仍在努力跨越量子纠错的收支平衡点——逻辑量子比特错误率低于物理量子比特错误率的点(创建逻辑量子比特和应用量子纠错码也会给系统带来噪声)。

Quantinuum团队正在接近这一目标。为了跨越平衡点，每个QEC循环的错误率需要低于与QEC协议相关的最大物理错误率。

在论文中，研究人员指出了达到平衡点所需的关键改进。Quantinuum高级物理学家兼论文第一作者Ciaran Ryan-Anderson博士说：“我们相信这些改进是可行的，并正在推动完成下一步。”

研究人员需要创建多个逻辑量子比特，而这取决于量子技术的进步，需要更好的保真度、更多物理量子比特、量子比特之间更好的连接性以及其他因素。

逻辑量子比特的增加将迎来容错量子计算机的新时代，因为即使某些操作失败，它也能继续运行。

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041058

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