量子纠错里程碑！首次通过两个逻辑量子比特实现容错通用门
光子盒研究院出品
通过使用纠错码将逻辑量子信息冗余地编码成多个量子比特，可以保护量子计算机免受噪声的影响。我们在操纵逻辑量子态时，必须确保由不完美操作引起的错误不会通过量子寄存器不受控制地传播。这要求量子寄存器上的所有操作都遵循容错电路设计，从而增加了实现的复杂性。
5月25日发表在《自然》杂志的一篇论文[1]显示，因斯布鲁克大学实验物理系的Thomas Monz和德国亚琛工业大学、于利希研究中心的Markus Müller领导的研究团队首次成功地在两个逻辑量子比特上实现了容错通用门集，可以用于实现任何可能的操作。
Müller与苏黎世联邦理工学院合作的另一项研究[2]也于同日发表在《自然》杂志：以前的纠错方法无法同时检测和纠正量子系统中出现的两种基本错误(比特翻转和相位翻转)。他们展示了第一个可以重复检测和纠正这两种错误的系统。去年12月，该论文预印本在arXiv上线，光子盒对其进行了报道，参见《科学家在量子计算纠错方面取得突破》。
研究团队在因斯布鲁克大学及其衍生公司AQT的离子阱量子计算机上实现了这个通用门集，该计算机具有16个被捕获的原子(量子比特)。量子信息存储在两个逻辑量子比特中，七个物理量子比特编码一个逻辑量子比特。
现在，第一次可以在这些容错量子比特上实现两个计算门，这是通用门集所必需的：对两个量子比特的计算操作(一个CNOT门)和一个逻辑T门，这在容错量子比特上特别难以实现。
该团队在七量子比特色码的两个实例之间执行逻辑双量子比特CNOT(受控非)门，并容错地制备了一个逻辑魔法态。然后，通过从一个逻辑量子比特到另一个逻辑量子比特的隐形传态注入魔法态，从而实现容错逻辑T门。
七量子比特色码：七个物理量子比特编码一个逻辑量子比特
两个通用门集：CNOT门和逻辑T门
离子阱量子处理器
Müller说：“T门是非常基本的操作。没有T门的量子算法可以相对容易地在经典计算机上模拟，从而消除任何可能的加速。因此T门对于量子算法非常重要。”[3]
在一个编码的逻辑量子比特中，存储的量子信息受到保护，不会出错。然而，如果没有计算操作，这是无用的，而且这些操作本身也容易出错。
研究人员已经实现了对逻辑量子比特的操作，通过这种方式，由底层物理操作引起的错误也可以被检测和纠正。因此，他们已经在编码的逻辑量子比特上实现了第一个通用门集的容错实现。
Monz说：“容错实现比非容错操作需要更多的操作。这将在单个原子的尺度上引入更多的错误，然而尽管如此，对逻辑量子比特的实验操作比非容错逻辑操作要好。工作量和复杂性增加了，但最终的质量更好。”研究人员还使用经典计算机上的数值模拟检查并确认了他们的实验结果。
容错方案的性能优于非容错方案。布洛赫球六个基态的七量子比特色码的稳定子生成元和逻辑算符的期望值。非容错和容错制备方案的结果分别用橙色和青绿色表示，而数值模拟的结果用浅色表示。
随着实验成功，物理学家已经在量子计算机上展示了容错计算的所有构建块。现在的任务是在更大、更有用的量子计算机上实现这些方法。
研究人员表示，在因斯布鲁克的离子阱量子计算机上演示的方法也可以用于量子计算机的其他架构。这些结果提供了一条通往纠错通用量子计算的道路。
从近期的研究来看，离子阱量子计算机在纠错容错方面确实具有独到的优势。例如霍尼韦尔子公司Quantinuum的离子阱系统采用钡离子量子比特将状态制备和测量(SPAM)保真度提高到了99.9904%——迄今为止所有量子技术中最高。此前，Chris Monroe团队采用Bacon-Shor码将多个低保真度的物理量子比特编码为一个高保真度的逻辑量子比特，也是在离子阱平台实现的。
未来，离子阱平台能否继续引领量子计算纠错研究，让我们拭目以待！
参考链接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04721-1
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04566-8
[3]https://phys.org/news/2022-05-error-free-quantum-real.html