MBE-CQEC：一种新的连续量子纠错方案

光子盒研究院出品

随着量子比特数量的增加，量子计算机处理信息的速度将远远超出经典计算机。但量子比特是脆弱的。它们的状态变化非常快，例如受到温度等环境因素影响，会引入很多错误。研究人员一直在努力开发一种实时纠正这些错误的有效方法。这就是量子纠错(QEC)方案。

环境因素——称为退相干——导致量子比特的随机旋转。例如，图（中）的中心量子比特旋转，代表一个量子错误。QEC方案的任务就是检测并纠正这种错误，以便量子比特可以返回到其初始状态。

日本冲绳科学技术大学院大学(OIST)的Jason Twamley团队，与爱尔兰都柏林三一学院和澳大利亚布里斯班昆士兰大学的合作者提出了一种新的纠错技术——连续量子纠错的基于测量的估计器方案。论文已发表在Physical Review Research上[1]。

实现QEC需要利用纠缠的特性收集多个量子比特。为了检测量子比特中发生的错误，QEC方案必须应用一系列被称为综合征测量(syndrome measurements)的测量。这些测量评估两个最近的相邻量子比特是否在同一方向上对齐。这些测量的结果被称为综合征，然后基于它们，量子比特中的错误可以被检测到并随后被校正[2]。

常见的QEC方案通常很慢，而且由于无法实时捕捉和纠正错误，它们还会导致存储在量子比特中的信息迅速丢失。此外，这种QEC方法采用一种称为投影测量的传统量子测量方法获得综合征。这种方法需要几个额外的量子比特，使其成为资源密集型的。

这些方案被称为离散量子纠错(DQEC)，使用稳定器上的投影冯·诺依曼测量，将错误综合征离散为有限集，并应用快速酉门恢复被破坏的信息。相反，连续量子纠错(CQEC)在原则上可以比DQEC更快地执行，并节省资源。

现在，OIST开发了一种称为连续量子纠错的基于测量的估计器方案(MBE-CQEC)，它可以快速有效地检测和纠正来自部分有噪声的综合征测量的错误。他们将一台强大的经典计算机作为外部控制器(或估计器)，估计量子系统中的错误，完美地滤除噪声，并应用反馈来纠正它们。

三量子比特的MBE-CQEC方案。量子计算机中的量子比特(左)由经典计算机运行的估计器(右)连续测量。估计器通过进行综合征测量来检测错误，然后用适当的反馈进行纠正。

但该方案仅针对量子计算两种错误之一的比特翻转起作用。而且该方案基于的理论模型仍然需要在量子计算机上进行实验验证。此外，它还有一个重要的限制，即随着系统中量子比特数量的增加，估计器的实时模拟速度会呈指数级下降。

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.4.033207

[2]https://www.oist.jp/news-center/press-releases/mbe-cqec-new-scheme-correct-quantum-errors

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