IBM新建有效纠错的实用阈值

光子盒研究院

量子纠错的难度一直是量子计算机的主要绊脚石，但现在，IBM的研究人员已经开发出一种方法，可以使其更加高效。

在预印本服务器 ArXiv上发布的一项研究中，由 IBM 量子科学家领导的团队报告了一项协议，该协议建立了一个有效纠错的实际阈值。

“High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory”
研究的主要发现在于实现了 0.8% 的量子纠错误差阈值。论文称，这个阈值至关重要，因为它定义了量子系统在保持精确计算的同时可以承受的最大错误率——这一成就使该协议与完善的表面码相媲美，后者近二十年来一直保持着最高的错误阈值。
该协议是围绕以高编码率著称的低密度奇偶校验（LDPC）码系列设计的。它采用了一个全面的过程来实现容错存储器，包括测量综合征周期。这些周期需要辅助量子比特和由最近邻control-NOT（CNOT）门组成的特定电路结构。
从技术上讲，量子比特之间的连通性结构是一个度数为 6 的图，由两个边缘相交的平面子图组成。实际演示表明，该协议可以在 1 千万次综合征周期中保留 12 个逻辑量子比特；而团队仅使用了 288 个物理量子比特，错误率为 0.1%。相比之下，使用表面码实现类似的错误抑制需要 4000 多个物理量子比特。

准循环 LDPC 码的小型实例及其基于电路噪声模型的性能。

准循环 LDPC 码[[144, 12, 12]] 与具有 12 个逻辑量子比特和距离 d∈ {11, 13, 15} 的表面码的比较。具有 12 个逻辑量子比特的距离-d 表面码长度为 n = 12d^2，因为每个逻辑量子比特都被编码到表面码网格的一个单独的 d × d 片段中。图中显示了通过对距离-d 代码执行 d 个综合征循环估算出的逻辑错误率 pL。由于采样误差，大部分数据点的误差条≈ pL/10。
这项工作的实际意义重大，尤其是对近期量子处理器而言。该协议的效率和与现有量子硬件的兼容性，为弥合当前量子计算能力与容错量子存储器最终目标之间的差距提供了一条潜在的途径。
实验人员写道：“我们的研究成果使低开销容错量子存储器的演示成为近期量子处理器可以实现的目标。”
除了介绍协议，研究人员还为容错量子存储器提供了一个全新的视角。这种方法是对现有方法（如基于连接的方案）的补充，其重点是最大限度地减少量子比特开销。虽然这些方案将 LDPC 码与表面码相结合以改进纠错，但它们会带来大量量子比特开销，而新提出的基于 LDPC 的协议旨在规避这一点。
不过，这项研究也承认，利用现有量子硬件实施该协议存在一定的挑战。这些挑战包括开发低损耗第二层、能够耦合到七个连接的量子比特以及创建远距离耦合器。研究人员对这些挑战持谨慎乐观态度，提出了调整封装技术和增强量子比特连接性等潜在解决方案。
参考链接：[1]https://www.newscientist.com/article/2388191-ibm-has-just-made-error-correction-easier-for-quantum-computers/[2]https://thequantuminsider.com/2023/08/17/quantum-error-correction-protocol-shows-promise-for-reliable-quantum-computing/[3]https://arxiv.org/abs/2308.07915

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