开创容错量子计算新时代！全球首款逻辑量子比特电路实现无差错计算

光子盒研究院

又一项量子计算纪录被打破。

一个研究小组制造出了一台量子计算机，它拥有有史以来数量最多的逻辑量子比特。与标准量子比特不同，逻辑量子比特能够更好地进行计算而不受错误的影响，这使得新设备有可能成为迈向实用量子计算的重要一步。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06927-3

在QuEra内部发行的纸质版文件中，报告了基于编码逻辑量子比特的可编程量子处理器的实现情况，该处理器最多可运行280个物理量子比特。
合作者报告了以下关键成就：
- 创建和纠缠迄今为止最大的逻辑量子比特，显示出7的代码距离，从而能够检测和纠正纠缠逻辑门操作过程中出现的任意错误（代码距离越大，抗量子错误的能力就越强）。此外，研究首次表明，增加代码距离确实可以降低逻辑运算中的错误率。
- 实现了48个用于执行复杂算法的小型逻辑量子比特，其性能超过了使用物理量子比特执行相同算法时的性能。
- 通过控制280个物理比特，构建了40个中型纠错码。
这些结果预示着早期纠错量子计算的到来，并为大规模逻辑处理器的发展指明了道路。

量子计算机能完成多复杂的计算，取决于它所包含的量子比特的数量。最近，IBM和位于加利福尼亚州的Atom Computing公司推出了拥有1000多个量子比特的设备：几乎是之前最大量子计算机的三倍。但是，这些设备的出现并没有立即带来计算能力的大幅提升，因为更大的量子计算机往往也会产生更多的错误。
人们普遍认为，最有用的量子计算需要等待纠错量子比特的开发。纠错涉及将一个量子信息比特（称为逻辑量子比特）分配给一小部分硬件量子比特，分歧主要集中在如何最好地实现它以及需要多长时间。
今天发表在《自然》（Nature）上的一篇论文描述了迈向未来的关键一步。之前的纠错演示展示了一个、两个或三个逻辑量子比特；这项新工作中，一个主要由哈佛大学研究人员组成的大型研究团队现已展示了在多达48个逻辑量子比特上执行多种操作的能力，在解决错误问题的同时增强了计算稳定性和可靠性。
研究结果表明，该系统基于QuEra公司开发的硬件，能够正确识别错误的发生，从而显著改善计算结果。
为了制造出能够纠正错误的量子计算机，波士顿量子计算初创公司QuEra的研究人员和几位学者转而专注于增加逻辑量子比特的数量：逻辑量子比特是通过量子纠缠相互连接的量子比特组。

在传统计算机中，纠错依赖于保存多个冗余信息副本。哈佛大学的多勒夫·布卢夫斯坦（Dolev Bluvstein）是研究小组的成员之一，他说，量子信息从根本上说是不同的，是无法复制的，因此研究人员利用纠缠将其分散到多个量子比特上，从而实现了类似的冗余。
为了制造量子计算机，研究人员首先将数千个铷原子放在一个不透气的容器中。然后，他们利用激光和磁铁的作用力将原子冷却到接近绝对零度的温度——此时原子的量子特性最为突出。在这种条件下，他们可以通过再次用激光照射原子来非常精确地控制原子的量子态。
他们首先从原子中产生了280个量子比特，然后再进一步，用另一个激光脉冲将其中的几组量子比特纠缠在一起。例如，一次纠缠 7 个量子比特，从而产生一个逻辑量子比特。
通过这种方法，研究人员能够一次制作多达48个逻辑量子比特：这比以前创造的逻辑量子比特数量多出10倍以上。

中性原子量子计算机体系结构

“拥有这么多逻辑量子比特是件大事。”威斯康星大学麦迪逊分校的马克·萨夫曼（Mark Saffman）说：“对于任何量子计算平台来说，这都是一项非常了不起的成果。”他解释道，新型量子计算机的原子由光控制，这使它受益匪浅，因为这种控制非常高效。
QuEra的硬件使用中性原子，这有几个优点。量子信息存储在单个原子的核自旋中，在保持量子信息方面相对稳定；而且，由于特定同位素的每个原子都是等价的，因此不会像基于超导硬件的量子比特那样存在设备间的差异；单个原子可以用激光来处理，而不需要布线，原子还可以移动，这样任何量子比特都有可能与其他量子比特相连。
当前，QuEra新一代的硬件支持多达280个基于原子的量子比特。为了实现这一功能，这些原子可以在几个功能区之间移动：一个是简单的存储区，在不对其进行操作或测量时，量子比特就存放在这里；这里既有使用中的逻辑量子比特，也有未使用的量子比特池，在执行算法的过程中可以调动这些量子比特。
此外，还有一个“纠缠区”和一个读出区，前者是进行操作的地方，后者是测量单个量子比特状态的地方，而不会干扰硬件中其他地方的量子比特。
中性原子量子比特的几个方面使得操作逻辑量子比特变得更加容易。例如，对逻辑量子比特进行操作可以非常简单，只需将组成逻辑量子比特的所有原子移入纠缠区，然后用激光照射这些原子，就可以对逻辑量子比特的所有组成原子同时进行相同的操作。对两个逻辑量子比特也可以进行类似的操作，对它们进行门操作。
此外，独立的测量区域允许在算法进行过程中移动和测量用于纠错的量子比特，而不会干扰逻辑量子比特的任何其他组件。另外，在某些实验中，这些量子比特被保存在内存中，直到算法完成；此时，如果有迹象表明发生了错误，就可以对它们进行测量并丢弃结果。
即使是初始化逻辑量子比特的过程，也显示了其潜在的好处。通过选择后来的测量结果显示没有错误迹象的实例，初始化的保真度达到了99.9%以上，远高于单个硬件量子位初始化的成功率（99.3%）。
这项工作中使用的相干原子运动的原子视频。视频描述了使用d = 3色码的容错4量子GHZ状态，十个颜色码分为两排，每排五个颜色码，每个颜色码有7个物理量子比特，并行编码，最下面一排的五个逻辑量子比特在横向CNOT中用作辅助量子比特，然后移动到存储区。然后，最左侧的四个计算逻辑量子位用于准备GHZ状态

利用中间电路测量进行纠缠隐形传态。对五种颜色码进行容错编码，然后将顶排中央的三个计算逻辑量子比特准备成GHZ状态。中间的逻辑量子比特被传送到读出区（约100μm）进行中间电路测量，局部成像光束对此进行了说明

本研究中使用的相干原子运动的原子和陷阱位置动画演示。使用[[8,3,2]]码的48逻辑量子比特扰码电路。8个[[8,3,2]]码块（每4个码块排成两行）由3层纠缠门编码，然后是3个横向CNOT。在两组之间的最后一个横向CNOT之前，再用另外八个代码（最初在存储区）重复这一过程，从而在48个逻辑量子比特三元组之间形成4维超立方连接，或7维物理超立方连接

40个d = 3颜色码的操作动画。十个颜色码在纠缠区编码，一半作为辅助色码容错地准备其他色码，并存储起来；这样重复四次

此次，研究小组在新计算机上实施了几种计算机操作、代码和算法，以测试逻辑量子比特的性能。他们发现，虽然这些测试比量子计算机最终要执行的计算更为初步，但研究小组已经证实，使用逻辑量子比特导致的错误比使用物理量子比特的量子计算机要少。
在其中一种情况下，他们可以使用经典计算机来估计一系列操作的不同结果的概率；然后将其与实际操作进行比较。在没有任何错误检测的情况下，实验结果中会出现相当大的噪音。但是，随着研究人员更加严格地拒绝接受有误差迹象的测量结果，结果逐渐变得更加清晰：一次测量的准确度从0.16上升到了0.62。
但是，这并不是完全纠错。QuEra首席营销官尤瓦尔·博格 (Yuval Boger)说：“论文中的情况是，只有在计算完成后才会纠错。因此，我们尚未展示的是中间电路纠错（mid-circuit correction），即在计算过程中，我们测量......是否存在错误的指示，纠正错误，然后继续前进。”

研究人员通常估计，完全容错或无差错的量子计算机将需要数千个逻辑量子比特，但普林斯顿大学的杰夫·汤普森（Jeff Thompson）说，令人兴奋的是，在新的实验中已经探索出了一些容错的想法。他认为此次成果无疑是向前迈进了一步，随着基于原子的计算机的快速发展，必将取得更多进展。
汤普森说：“我们正在见证（原子计算机）的一些决定性时刻。”
下一步，是什么？
QuEra是中性里德堡原子和量子纠错领域的领先企业。现在，他们的系统中已经有10,000个原子（未纠错）。如果他们能将这些原子全部投入使用，那么在短期内就能实现50-600个纠错量子比特的目标，然后通过更好的扩展实现超越。
QuEra的方法是以较低的成本实现系统的扩展。每个互连器件的成本约为10,000美元。随着系统规模的扩大，减少这些系统和其他系统将能以更低的成本实现大规模量子纠错系统。

2024年1月10日，QuEra将公布新的发展路线图
网络研讨会注册地址：https://quera.zoom.us/webinar/register/4917017114963/WN_PVZFpyPhTiqPb75Q519kQA#/registration
QuEra计划在一月份提供一份未来发展路线图。不过，我们还是可以推断出相当一部分需要完成的工作。首先，正如博格所说，这并不是在计算过程中进行的完全纠错，QuEra正在努力解决这个问题。此外，这些测试中使用的算法并不实用，因为没有商业客户会付费运行这些算法。在这之前，逻辑量子比特数必须提高。
提高量子比特数的另一个原因是，正如这项工作所证明的那样，逻辑量子比特使用的量子比特越多，错误率就越低。如果每个逻辑量子比特需要10个硬件量子比特，那么目前的QuEra硬件一次只能承载22个量子比特。显然，用48个量子比特来运行这些演示，意味着使用的量子比特少于10个，因此未捕捉到的错误比在更大的机器上可能出现的更多。
尽管如此，QuEra在其论文中指出，优化的控制和增强的激光功率应该能让这种架构达到10,000个物理比特，因此应该有相当大的余地。而且，由于所有控制操作都是通过激光来完成的，因此应该可以使用光子链路来连接独立的硬件。博格还提到，通过缩短发生错误的时间来提高读出系统的性能。
但是，所有这些潜在进展的价值都建立在我们最终能够对逻辑量子比特执行一系列复杂操作并实时纠正任何错误的信念之上。
现在，前半部分已经走出了信念的范畴，进入了已被证明的技术清单。
参考链接（上下滑动查看更多）：

[1]https://www.newscientist.com/article/2407145-quantum-computer-sets-record-on-path-towards-error-free-calculations/

[2]https://www.quera.com/press-releases/harvard-quera-mit-and-the-nist-university-of-maryland-usher-in-new-era-of-quantum-computing-by-performing-complex-error-corrected-quantum-algorithms-on-48-logical-qubits

[3]https://arstechnica.com/science/2023/12/quantum-computer-performs-error-resistant-operations-with-logical-qubits/

[4]https://www.nextbigfuture.com/2023/12/complex-error-corrected-quantum-algorithm-on-48-logical-qubits.html

[5]https://www.nextbigfuture.com/2023/12/rydberg-atom-quantum-computers-could-deploy-thousands-of-error-corrected-qubits-over-the-next-few-years.html

[6]https://financialpost.com/globe-newswire/harvard-quera-mit-and-the-nist-university-of-maryland-usher-in-new-era-of-quantum-computing-by-performing-complex-error-corrected-quantum-algorithms-on-48-logical-qubits

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