五量子比特糾錯 | 潘建偉、朱曉波、陳宇翱、馬雄峰等NSR

在《國家科學評論》（National Science Review, NSR）最近發表的一篇研究論文中，中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、陳宇翱團隊，清華大學馬雄峰團隊，以及牛津大學等機構的科學家們用超導量子比特，對五量子比特糾錯碼進行了實驗探索。作者們在超導量子系統上實現了[[5,1,3]]碼，驗證了用超導量子比特實現量子糾錯碼的可行性。

要實現通用容錯的量子計算，關鍵在於量子糾錯。量子糾錯中，一個重要的里程碑是實現優於簡單的物理量子比特的邏輯量子比特的糾錯。在未來十年，實現通用量子糾錯碼仍然是最大的挑戰，也是衆所周知的難題。

在這篇題爲“基於超導量子比特的五量子比特量子糾錯碼的實驗探索”的論文中，科學家們完成了實現量子糾錯的重要步驟。他們首先通過對超導量子比特進行專門的實驗優化，實現了一百多個量子門。他們在文章中寫到：“用於實現五量子比特糾錯碼的設備是一個12比特超導量子處理器。在這12個量子比特中，我們選擇了5個相鄰的量子比特來進行實驗。這些量子比特是通過電容耦合到它們最近的比特。通過仔細的校正和對門參數的優化，我們實現單比特門的平均保真度爲0.9993，兩比特門的平均保真度爲0.986。僅通過使用單量子比特旋轉門和兩量子比特受控相位門，我們實現了對邏輯態進行編碼和解碼。”

（a）五量子比特碼的編碼量子電路。（b）邏輯態|T> _L的31個穩定子的期望值。（c）邏輯Pauli算符的期望值和已編碼magic態的狀態保真度。

文章作者重點展示了糾正單個通用量子比特錯誤的五量子比特糾錯碼，即所謂的“完美編碼”。通過在理論上編譯和優化了編碼過程，最鄰近受控相位門的數量被減小到八個。這些實驗和理論上的進步最終實現了功能齊全的五比特糾錯碼的基本組成部分，其中包括將通用邏輯量子比特編碼爲糾錯碼。隨後，作者對糾錯碼的關鍵特徵進行了驗證，包括識別任意單比特錯誤，邏輯態的邏輯門操作，和態解碼的能力。

在文章的最後，作者展望說：“通往容錯量子計算之路的一個重要里程碑是實現優於簡單的物理量子比特的邏輯量子比特的糾錯。未來工作的方向包括實現非破壞性錯誤檢測和糾錯，以及針對五個量子比特編碼在多個邏輯量子比特上執行邏輯門操作。我們的工作還可應用於短期量子計算的錯誤緩解。”

此項工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中科院、上海市科學技術委員會、安徽省量子信息技術引導項目、以及工程和物理科學研究委員會等的支持。