迈向稳健容错的量子计算！中国团队在超导量子处理器上实现保真度超蒸馏阈值的逻辑魔法态

Original 光子盒研究院光子盒 2024-03-26

光子盒研究院

量子计算机有可能在某些任务上超越传统计算机，包括复杂的优化问题。然而，量子计算机也容易受到噪声的影响，从而导致计算错误。

现在，工程师们一直在努力设计容错量子计算方法，使其能够更好地抵御噪声，从而更稳健地扩展。实现容错的一种常见方法是制备魔法态（magic state），即引入所谓的非克里福德门。

中国科学技术大学、河南省量子信息与密码学重点实验室和合肥国家实验室的研究人员最近在超导量子处理器上演示了保真度超过蒸馏阈值的逻辑魔法态的制备。他们的论文发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，概述了一种生成高保真逻辑魔法态的可行而有效的策略，这是实现容错量子计算的一种方法。

“我们在量子纠错领域有一个长期计划。”论文合著者朱晓波教授公开表示：“继之前完成用于重复纠错的距离-3表面码的研究工作后，我们认为下一个重点是逻辑魔法态的制备。”

朱教授及其同事近期研究的最终目标是实现稳健、容错、通用的量子计算。逻辑魔法态的制备是实现非克里福德逻辑门的关键步骤，进而实现容错量子计算。

“简单来说，我们这个协议的基本思想就是先将待制备的状态注入表面码中的一个量子比特，然后将状态信息‘传播’到整个表面码中，从而实现逻辑状态的制备。”朱教授解释道：“在这个协议中，待制备状态的注入位置和其他量子比特的初始化状态的选择非常重要。”

该研究团队提出的协议概述了在超导量子处理器中制备高保真原始魔法态的一种简单、实验可行且可扩展的策略。作为最近研究的一部分，朱教授和他的同事们在祖冲之2.1上应用了这一协议：祖冲之2.1是一个具有可调耦合设计的66量子比特机器。

朱教授说：“这种处理器的设计允许我们操纵任意两个相邻量子比特之间的相互作用，从而确保我们的量子门在高度并行的情况下仍具有足够高的保真度。这种设计还有利于在一台处理器上扩大量子比特的规模。”

当研究人员在祖冲之2.1处理器上实施他们的协议时，他们取得了非常有希望的结果。具体来说，他们非破坏性地制备了三个逻辑魔法态，逻辑保真度分别为0.8771±0.0009、0.9090±0.0009和0.8890±0.0010，高于态蒸馏协议阈值0.859（H型魔态）和0.827（T型魔态）。

任意逻辑状态准备协议。顶部面板：表面码分为5个区域（中心数据量子比特、区域I、II、III和IV）。逻辑算子Z ̂_L和X ̂_L交于中心数据量子比特。下图协议电路。在电路开始时，所有量子比特都被重置为├ ├|0┤⟩态。然后通过Hadamard门将I区和III区的数据量子比特准备到├ ├|+┤⟩，并通过旋转门将中心数据量子比特准备到目标状态├ ├|ψ┤⟩。之后进行一轮表面码循环，将数据量子比特状态投射到逻辑状态空间

准备好的不同逻辑状态的实验结果。(a) 在布洛赫球上进行后选择的逻辑状态保真度。不同逻辑状态的保真度用一个圆来表示，这个圆被分成多个环形扇形，每个扇形代表布洛赫球上的一个点，径向代表极角θ，切向代表方位角φ。获得的平均逻辑保真度为0.8983。(b) X ̂_L、Y ̂_L、Z ̂_L 的逻辑测量结果与极角θ或方位角φ的函数关系。彩色虚线是用三角函数拟合的结果。(c) 魔法态的逻辑密度矩阵。实部和虚部分别表示，透明线框表示与理想密度矩阵的差异

朱教授说：“我们成功制备了保真度超过蒸馏阈值的距离三逻辑魔法态，实现了基于表面码的容错计算发展的一个重要里程碑。这一成果意味着，我们可以将低保真度的魔法态送入魔法态蒸馏电路，经过多次蒸馏获得足够高保真的魔法态，随后利用它们构建容错的非克里福德逻辑门。”

未来，其他研究团队可以利用朱教授及其同事开发的协议，利用更广泛的超导量子处理器，实现高保真原始逻辑魔法态。最终，这将有助于实现稳健容错的量子计算，进而推动更大规模量子计算机的发展。

朱教授补充说：“在量子纠错领域，我们计划继续探索两个主要研究方向。首先，我们的目标是通过降低物理操作错误率和增加编码量子比特的数量来提高逻辑量子比特（或纠错量子存储器）的性能，从而将逻辑错误率抑制到实用水平。其次，我们对纠错逻辑运算（如晶格手术）进行了实验研究，以应用于未来的容错量子计算。”

参考链接：

[1]‍https://phys.org/news/2023-12-logical-magic-state-fidelity-distillation.html

[2]https://www.lifetechnology.com/blogs/life-technology-science-news/a-logical-magic-state-with-fidelity-beyond-distillation-threshold-realized-on-superconducting-quantum-processor

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