量子纠错里程碑！霍尼韦尔实验证明逻辑量子比特性能优于物理量子比特
霍尼韦尔旗下量子计算公司Quantinuum的研究人员通过在一个使用实时量子纠错的容错电路中纠缠逻辑量子比特，取得了一个重要的里程碑。8月3日，相关研究的预印版以《在五量子比特码和色码上实现容错纠缠门》为题[1]发表在arXiv上。
Quantinuum表示，本次实验首次演示了在两个逻辑量子比特之间的纠缠门，并以完全容错的方式使用实时纠错完成；首次演示了比相应物理电路具有更高保真度的逻辑纠缠电路；这一里程碑式的成就非常重要，因为它标志着逻辑量子比特性能优于物理量子比特——这是迈向容错量子计算机的关键一步。
“Quantinuum的离子阱量子计算路线图是围绕持续升级而设计的，使我们灵活的架构和精确的控制能力得以实现。这种组合提供了杰出的、史无前例的成就，有助于加速整个行业的发展。”Quantinuum总裁兼首席运营官Tony Uttley说。
Quantinuum的理论和架构技术经理、新研究论文的合著者David Hayes表示，这项研究使量子计算更接近编码电路胜过更原始的操作。“人们以前使用过纠错量子比特，但他们还没有达到这种特殊的地步：即编码操作比原始操作的效果更好；这里的另一件新鲜事是，其他实验中我们进行操作的同时进行纠错。对我们来说，下一步是让纠错本身带来的错误率进一步降低。”
David Hayes
实验中，科学家们使用由霍尼韦尔提供的H1-1、H1-2量子计算机，并在这些测试中比较了五量子比特纠错码和Distance-3色码。
(a)H1-2和(b)H1-1系统的图示，它们被配置为五量子比特码和色码实验。H1-2有三个能够进行平行门的区域，由交叉的激光束标记，该系统可以使用多达12个量子比特。H1-1有五个平行门区域，系统可以使用多达二十个量子比特。171Yb+离子量子比特（红色圆圈）总是与138Ba+离子（白色圆圈）成对，用于协同冷却（Sympathetic cooling）。
量子研究人员正处于实验性量子纠错的早期阶段，需要测试大量代码。与其他量子硬件设计相比，由于机器的独特架构，Quantinuum研究人员可以探索更广泛的量子纠错码。
H1量子计算机采用捕获离子设计和量子电荷耦合器件架构（QCCD）。除了这种设计固有的灵活性外，另一个优势是全连通性（all-to-all）。所有的量子比特都是相互连接的，这使得通过离子链移动信息变得很容易，而且不会在此过程中产生多个错误。
对此，Hayes表示：“每次我们想要尝试一个新代码时，都不需要构建一台新机器：我们只需要对机器进行编程使其运行不同的代码，再进行测量并权衡利弊。”
为了理解Quantinuum最新研究的重要性，首先要了解为什么量子纠错在量子计算中起着如此重要的作用。
所有形式的技术都需要纠错，包括数据中心的服务器和将传输信息发送回地球的空间探测器。对于Quantinuum和量子计算领域的其他公司来说，量子纠错是最重要的进步支柱之一：错误会使量子计算机无法产生可靠的结果。如今，Quantinuum的研究人员正在努力实现容错的里程碑，这意味着可以将错误抑制到任意低的水平。
该论文的另一位合著者、Quantinuum的高级物理学家Natalie Brown表示，由于量子力学的基本性质，大多数经典的纠错原理在量子计算机上都会失败。“将噪声抑制到非常小的水平变得非常困难，而这在量子计算中是一个问题。最有希望的候选者是这种量子纠错：我们把物理量子比特制作成逻辑量子比特。”
逻辑量子比特是由物理量子比特组成的集合，它们共同工作以执行计算。对于计算中使用的每个物理量子比特，其他辅助量子比特执行一系列的任务：例如，发现和纠正发生的错误。
Quantinuum的高级高级物理学家、论文的合著者Ciaran Ryan-Anderson表示，最新的研究论文建立在2021年进行的《物理评论X》研究[2]的基础上：那项工作展示了霍尼韦尔的研究人员如何将多轮量子纠错应用于单个逻辑量子比特。“首先要证明的真正重要的事情之一是这些重复的量子纠错周期。”
在霍尼韦尔的两个不同的量子计算机（H1-1和H1-2）中测量的典型错误。单量子比特门错误（SQ）、双量子比特门错误（TQ）、状态制备和测量错误（SPAM）、电路中间测量和复位串扰错误（MCMR）。SQ和TQ错误率是用随机基准实验测量的。
根据Ryan-Anderson，量子纠错主要包括以下几个里程碑：
进行反复、多轮的容错量子纠错；
前馈和有条件地应用综合征提取；
实现对量子纠错码的实时确定修正；
演示通用算法实时解码；
用两个逻辑量子比特扩大量子纠错的规模；
当逻辑量子计算开始优于物理量子计算时，可以达到盈亏平衡点。
“现在，Quantinuum已经实现了完成这一目标所需的部分里程碑。”Ryan-Anderson说道。
最新的研究说明了Quantinuum团队在量子纠错和两个逻辑量子比特方面的进展：团队测试了五量子比特码和色码。五量子比特码不允许只使用两个逻辑量子比特的容错横向门。研究人员使用“可分片（pieceable）”的容错能力将最初的非容错逻辑门操作分解为单独的容错部分。而色码允许使用自然容错的横向CNOT门。
H1-2最多可以使用12个量子比特，H1-1最多可以使用20个量子比特：五量子比特码在H1-2上测试，而色码在H1-1上测试。两台计算机都使用相同的表面电极离子阱来控制镱离子作为量子比特。通过聚焦激光束将离子传输到隔离门区域，提供了低串扰的门和中间电路测量操作。
研究人员使用不同的电路元件组合进行了五次实验，以测试五量子比特码，并了解容错设计和电路深度对其的影响。该团队发现，由于需要大量的CNOT操作，为提高容错能力而设计的额外电路对逻辑操作的整体保真度产生了负面影响。
五量子比特码的不同CNOT结构的量子电路布局。电路不同部分用不同的颜色表示。灰色的部分在每个结构中都是不变的；在实验的不同结构中，绿色部分是不同的：容错初始化、双量子比特QEC循环，以及测量输出方案。
用于测试色码的横向CNOT门的不同实例电路。使用与五量子比特码电路图相同的符号，灰色方框表示所有实例中都使用的电路部分，绿色方框表示用于增加容错量的附加电路。
左：五个不同的五量子比特码实验的逻辑保真度与两量子比特门数比较。红色方块表示X基态，蓝色三角形表示Z基态，绿色星星表示X和Z基态的混合物，在CNOT门的作用下理想地产生贝尔对；右：实验和模拟的逻辑保真度与七个不同颜色代码实验中的双比特门数的对比。红色、蓝色和绿色的标记分别表示理想情况下产生X、Z和贝尔基的输出状态。实线代表实验数据，虚线代表模拟数据。
五量子比特码和色码的贝尔态实验对逻辑错误率的影响。
色代显示出了更好的结果，部分原因是能够使用横向CNOT门。该团队进行了七次实验，以研究这些代码的容错潜力。对于色码，研究人员发现状态制备和测量电路受益于容错电路的增加，并显著降低了错误率：逻辑量子比特为99.94%，而物理量子比特为99.68%。这是使电路从端到端容错所需的唯一附加电路，因为逻辑CNOT是横向的，自然具有容错能力。
因此，研究人员得出结论，“色码相对经济的容错电路将比高效的五量子比特码提供更好的计算平台。”
Hayes表示，该团队的下一步将是超越盈亏平衡点，并提供工作证明。“我们正在获得证据，证明我们真的非常接近那个点，但要真正证明它，还有很多工作需要做。仅仅到达那里是不够的，你必须真正超越它。”
该实验的另一个进展是一个具有增强功能的新型经典处理器，这对于可扩展的算法解码器来说至关重要。来自经典函数的数据被用来支配量子程序中执行的控制流和操作。
这些实验中使用的解码器部分是用Rust编写的，并编译为WebAssembly（Wasm）。Wasm的选择提供了一种高效、安全和可移植的经典语言，以拥有可从量子程序中调用的函数。用Rust实现的解码器使用了许多高级程序构造。对这些功能的支持意味着各种可扩展的算法解码器可以在各种编译为Wasm的高级语言（例如，Rust、C和C++）中以符合人体工程学的方式实现，并从量子程序中调用。
“这对这个特定的实验来说是非常有利的，并且随着这些事情变得越来越复杂，它对未来的实验将更加重要。”Hayes说。“我们的系统具有很长的相干时间，这在集成在经典计算实时决策中是非常有利的。”
捕获离子架构的另一个优点是能够在量子电路的执行过程中进行实时决策，这要归功于较长的相干时间，以及在电路中间进行测量并根据需要重置量子比特的能力。
Quantinuum的研究论文展示了一种使用实时纠错的逻辑量子比特的容错端到端电路。这也是两个纠错逻辑量子比特首次执行比其组成物理量子比特具有更高保真度的电路。重要的是，Quantinuum的容错演示创造了一个新的起点，可能使未来的研究人员能够扩大量子比特的数量[3]。
Quantinuum表示，他们在容错方面迈出了重要小步，而且是非常重要的双量子比特。它为一个新的、有前途的研究方向打开了大门。
参考链接：
[1]https://arxiv.org/abs/2208.01863
[2]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041058
[3]https://www.forbes.com/sites/moorinsights/2022/08/04/quantinuum-makes-a-significant-quantum-computing-breakthrough-by-connecting-the-dots-of-its-previous-research/?sh=4c983b6f562c