硅基三量子比特中实现量子纠错 | 前沿快讯No.31

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日本理化学研究所RIKEN应急物质科学中心Kenta Takeda和量子计算中心Seigo Tarucha等实现了硅基三量子比特相位修正编码，其中经过编码的三量子比特受到保护，不受三个比特上任意一个的相位翻转误差的影响。相关研究成果以Quantum error correction with silicon spin qubits为题，发表于《自然》Nature, 2022, 608, 682-686上。

量子计算利用量子叠加和量子纠缠来加速计算任务，但这些量子性质对由能量弛豫和相位不匹配引起的退相干误差十分敏感。随着量子比特数量的增加或计算任务变得更加复杂时，这些误差将导致计算结果的精度呈指数级下降。量子误差修正，又名量子纠错，通过将量子信息分布在一个更大的多量子比特纠缠态来规避这个问题，实现误差的检测和修正。量子误差修正的基本概念已经在各种平台上得到了证明，如核磁共振、离子捕获、氮空位中心和超导电路等，并且已经成为量子比特系统的一个重要基准。硅基自旋量子比特在过去的十年中逐渐成为一个新的量子比特平台，在长相干时间、高保真通用量子门、高温操作和三量子比特纠缠的产生等方面都取得了快速进展。

未来的大规模量子计算机将采用量子误差修正来保护计算过程中脆弱的量子信息，在有望实现量子计算设备的候选平台中，硅基自旋量子比特的成熟纳米制造技术和兼容性有望克服从原型器件扩展到大规模计算机的挑战。硅基量子比特的最新发展实现了高质量的单量子比特系统和双量子位元系统，但量子误差修正的实现需要三个或更多耦合的量子比特，并包含一个三量子比特门和测量反馈，仍然是一个公开的挑战。

本文作者日本理化学研究所RIKEN应急物质科学中心Kenta Takeda和量子计算中心Seigo Tarucha等实现了硅基三量子比特相位修正编码，其中经过编码的三量子比特受到保护，不受三个比特上任意一个的相位翻转误差的影响。采用一个有效的单步共振驱动的iTofoli门实现了三量子比特的条件旋转，进而实现对这个编码态的修正。与预期结果一致，误差修正减轻了由单量子比特相位翻转引起的误差，以及主要由准静态相位噪声引起的本征相位差异。这些结果成功实现量子误差修正，展现了硅基的大规模量子计算平台的潜力。

其三量子比特系统包括一个需要校正的数据量子比特(Q2)和两个辅助量子比特(Q1, Q3)。整个流程从编码数据量子比特开始，随后到三量子比特纠缠态；在编码状态中发生的相位翻转错误通过解码被映射到辅助量子比特；基于辅助量子比特的状态，可以通过校正逻辑门来恢复原始数据的量子比特状态，最终实现量子误差修正。

图1 硅基三量子比特器件

首先，作者演示了如何编码和解码数据量子比特状态。

图2 三量子比特态编码和共振驱动iTofoli门。

然后，作者实现了单量子比特相位翻转校正编码。

图3 单量子比特的相位误差修正

在实际的量子计算机中，误差可能同时发生在所有的量子比特上，而不是只发生在其中一个量子比特上。作者在所有的误差都与一般量子纠错中相同有效误差率的情况下验证了其的纠错编码的性能，在硅基三量子比特中成功实现了相位校正。

图4 三量子比特相位误差修正

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04986-6.pdf

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