Nature：实现完全稳定、长相干、纠错的逻辑量子比特

光子盒研究院出品

利用量子进行计算的雄心与退相干的基本现象不一致。量子纠错(QEC)的目的是抵消复杂系统退相干的自然趋势。

然而，是否有可能利用 QEC 来扩展量子相干性仍然是一个悬而未决的问题。此次，美国耶鲁大学（Yale University） V. V. Sivak （现就职于Google AI Quantum），M. H. Devoret等，在Nature上发文，通过展示一个完全稳定和纠错的逻辑量子比特来回答这个问题。

它的量子相干性比 QEC 过程中涉及的所有不完美量子组件的量子相干性要长得多：以G=2.27±0.07（G定义为同一系统中主动纠错逻辑量子比特与同一系统中最佳无源量子比特编码的相干时间的比值，G=1即达到盈亏平衡点）相干增益独占鳌头。

该实验在其理论基础上，证明了数十年后的量子纠错在实践中是有效的——验证了量子计算的基石假设。

此次，耶鲁团队演示了一个全新的完全稳定和纠错的逻辑量子比特，它的量子相干比QEC过程中所有不完全量子分量要长得多，相干增益达到了G=2.27±0.07。

具体来说，团队通过结合包括超导结构在内的多个领域的创新来实现这一性能。

实现单个可校正的逻辑量子比特需要一个具有较大状态空间的物理系统，它应该容纳代码子空间及其冗余副本，当发生物理错误时，逻辑信息将被传输而不失真。这种冗余与QEC的额外操作成本不可避免地相关联，这被称为控制开销。

为了寻找一种有效的减轻开销的有害影响的方法，团队使用谐振子状态空间的玻色子码作为基于物理量子比特寄存器的标准方法的替代方法。在混合架构中，这两种方法是互补的，建立在逻辑量子比特上的量子比特寄存器码，被有效的底层玻色子动态保护。

团队演示了增益G=2.27±0.07的全代码稳定和错误修正，使用戈特斯曼-基塔耶夫-预基尔(GKP)编码一个逻辑量子比特到一个振荡器的网格状态。该代码的QEC以前是在超导电路和捕获离子中实现的。在此次工作中，振荡器是超导腔的电磁模式，其量子态通过透射辅助量子比特元进行操纵（图1a）。

图一 实验系统。a）样品由一个超导铝腔和一个蓝宝石芯片组成，其中有一个transmon电路，读出谐振器和Purcell滤波器。b）样品在一个稀释制冷机中冷却，用微波和数字电子控制。QEC过程由现场可编程门阵列(FPGA)协调，其参数由图形处理单元(GPU)上实现的RL代理进行现场优化。c）在六个QEC周期后测量的Δ=0.34的网格代码的实验Wigner函数。

随后，团队在这个系统中实施了一个名为“涓滴”的QEC方案，获得实时经典处理和基于测量的反馈，并用强化学习（RL）在现场训练QEC电路参数，确保它们适应真实的错误通道，并控制系统的缺陷。

在峰值性能时，每个QEC周期的逻辑泡利误差概率为pY=（4.3±0.4）×E−4和pX=pZ=（1.81±0.04）×E−3。在如此低的逻辑错误概率下，团队在以前无法达到的数千个周期的时间尺度上探索QEC过程，并仔细审查QEC理论的标准假设，如错误率的平稳性和相关性。最后，科学家进行了误差注入实验，以确定限制逻辑性能的主要因素，并绘制了走向下一代逻辑量子比特的路径。

最终，团队将量子信息的寿命延长了一倍以上。他们的纠错量子比特存活了 1.8 毫秒——量子领域的事情发生得很快。

实验的原理的核心思想是实现人工纠错耗散，通过优先修正频繁的小误差，有效地从系统中去除熵，而不忽略罕见的大误差。相比之下，涓滴式耗散方案2有能力纠正所有相同的错误，但它不能在一个步骤中得到纠正。由于这种简化，这种方法减少了网格代码中的控制开销。

图二 QEC的实施和优化

在训练结束后，实验团队选择性能最好的QEC电路进行进一步的表征，并关注QEC创建一个良好的量子存储器的能力（也就是说，将时间流逝的影响转换为一个保留所有量子比特状态的身份通道）。

由于自发发射的玻色子增强，振荡器的较高激发态的寿命更短。因此，与任何QEC代码一样，使用网格状态编码量子比特会立即降低保真率。

图三 系统相干性。

在将逻辑量子比特描述为量子存储器之后，团队研究了QEC过程的特性。辅助量子比特的测量结果，称为综合征，指出QEC过程在每个周期中采取了哪个随机路径。

从图4a中的数据集中，可以观察到大多数结果是g（绿色），这意味着错误是罕见的。e结果的随机模式（黄色）反映了随机发生的错误。大多数错误都很小，当被纠正后，会留下单一的孤立的e结果

每个结果的时间函数的平均值如图4b所示，经过大约10个周期的初始状态校正，该过程进入一个动态平衡，持续至少10万个周期（这里测量的最长周期），错误率没有随时间显著增加。详细分析表明，QEC过程几乎是平稳的。

在这个动态平衡中，物理误差将量子态从代码空间中激发出来。物理误差和纠错耗散之间的竞争导致了子空间间的“热”分布，其概率证明了在实验系统中使用低秩纠错耗散，足以防止物理错误的积累和导致逻辑错误。

实验得出结论，97%的误差被成功纠正。

图四 误差综合征的分析。

在这项工作中，耶鲁团队利用实时纠错实现了完全稳定的逻辑量子比特，与系统中最好的无源量子比特编码相比，其寿命增加了一倍多，这标志着QEC从原理证明过渡到增强量子存储器的实用工具。

此外，这一工作改进了以前的QEC实验，除其他因素外，取得这一成就的关键是采用了无模型的学习框架，改进了transmon辅助量子比特的制造技术和新的网格代码QEC协议。通过开展更多的实验，团队还确定了需要解决的核心挑战，以确保网格代码QEC的未来进展。

关于后续进展，团队表示，“我们期望通过调整QEC过程，不仅针对振荡器的错误，而且针对辅助量子比特的错误，可以获得相当大的提高。我们的QEC电路在设计上对辅助量子比特的相位翻转错误具有容错性。在这里使用的transmon类比特，逻辑寿命对辅助类比特相位翻转的敏感性比对辅助类比特位翻转的敏感性小65倍。未来的发展应该包括提高辅助量子比特位翻转的鲁棒性：要么通过与路径无关的控制，要么通过采用有偏置噪声的辅助量子比特。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-023-05782-6

[2]https://phys.org/news/2023-03-qubit-life-key-theory-quantum.html

相关阅读：

每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！

你可能会错过：|qu|cryovac>

|qu|cryovac>