倫敦大學學院研究者Oscar Higgott和Nikolas P. Breuckmann介紹了一種使用規(guī)范修正來顯著提高子系統(tǒng)編碼的量子糾錯性能的技術，可用于構建量子計算機。

該研究于當?shù)貢r間8月19日發(fā)表在國際知名學術期刊《Physical Review X》，標題為《Subsystem Codes with High Thresholds by Gauge Fixing and Reduced Qubit Overhead》（通過規(guī)范修正和減少量子比特開銷實現(xiàn)高閾值的子系統(tǒng)編碼）

“量子計算機利用量子力學現(xiàn)象（如疊加和糾纏）能夠比傳統(tǒng)計算機更快地解決某些特定問題。然而，構建一個有用的量子計算機面臨的最大挑戰(zhàn)之一是單個組件（稱為量子比特）不完美，且容易出錯?！盚iggott對澎湃新聞（www.xinlihui.cn）記者介紹道，“因此，需要使用量子糾錯碼，通過增加冗余來糾正這些錯誤。最流行的糾錯碼是表面碼，許多科技公司計劃將其作為構建大規(guī)模容錯量子計算機路線圖的一部分?！?/p>

量子計算機會與環(huán)境相互作用，使得量子疊加態(tài)無法持續(xù)，導致量子計算失去優(yōu)勢。量子糾錯碼則可通過將單個比特的信息編碼到多個比特上進行糾錯。目前看來，在錯誤率低于閾值的情況下，巨大的量子比特數(shù)量是實現(xiàn)容錯量子計算的主要障礙——即便是在現(xiàn)實噪聲模型下表現(xiàn)最好的糾錯碼——表面碼，仍然會產生非常大的物理資源開銷。

表面碼存在三個缺點：第一，大約需要數(shù)千個物理量子比特來編碼每個邏輯量子比特，以便在實際噪聲范圍內進行容錯量子計算。第二，表面碼在其操作中使用四量子比特測量，對于許多量子計算架構來說這太大了。第三，在許多設備中通過實驗觀察到的錯誤率仍然高于閾值，并且表面碼的標準實現(xiàn)不太適合處理某些物理系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的有偏差噪聲模型（biased noise models）。

此項工作中，研究人員通過為子系統(tǒng)碼引入新的解碼技術和結構來解決這三個問題。

“我們的工作中，我們引入了以多種方式改進表面碼的新技術和糾錯碼。我們的新技術允許一種叫子系統(tǒng)碼的糾錯碼容忍高達0.2%的錯誤率。這意味著在某些物理系統(tǒng)中，有可能使用更易于制造的組件來構建量子計算機?！?/p>

“我們還引入了新的糾錯碼（子系統(tǒng)雙曲線碼），它比表面碼更有效，并且比表面碼所需的量子比特減少 4.3 倍。新編碼方式最適合用于組件之間具有良好連接性的物理系統(tǒng)（例如離子阱或光子系統(tǒng)）?！盚iggott表示。

子系統(tǒng)碼是穩(wěn)定子碼的輕微泛化，它只利用了使用可用編碼自由度的子集。子系統(tǒng)碼可通過減少所涉及的物理量子比特的數(shù)量，或者在校驗權重很大的情況下使輔助比特具備容錯能力，來簡化作為糾錯程序一部分的測量。此外，子系統(tǒng)碼允許可用于操控編碼的量子信息的規(guī)范修正（gauge fixing）的過程。

子系統(tǒng)碼的這些優(yōu)勢促使實驗者嘗試用此來實現(xiàn)容錯量子計算。然而，由于其高權重穩(wěn)定子，子系統(tǒng)碼通常具有較低的閾值。由于一些邏輯量子比特不用于編碼信息，它們通常也耗費更多的量子比特資源。

研究人員通過構建一個新的子系統(tǒng)碼系列來克服這些缺點，該系列具有僅需要三個量子比特測量的有限編碼率。研究人員將這些編碼稱為子系統(tǒng)雙曲線和子系統(tǒng)半雙曲線碼（subsystem hyperbolic and subsystem semi-hyperbolic codes）。

研究證明，通過改變進行測量的順序，子系統(tǒng)編碼可以容忍更多的錯誤，尤其是在噪聲偏向相位錯誤的現(xiàn)實場景中。

Higgot 表示：“雖然子系統(tǒng)碼之前被認為有一些缺點，但它也允許一個叫規(guī)范修正的程序，它可以讓我們在計算工程中更改碼。在我們發(fā)表的論文中，我們證明了規(guī)范修正可用于增加子系統(tǒng)碼可以容忍的噪聲量。我們還引入了一個新的子系統(tǒng)碼系列，其量子比特開銷比表面碼更小。”

研究人員引入的解碼技術稱為schedule-induced gauge fixing，能夠提高多種子系統(tǒng)碼的糾錯性能（尤其在有偏差的噪聲模型下）。該技術可應用在軟件中，而不需要對底層硬件交互進行更改。這允許編碼和解碼器都針對噪聲模型進行定制，即使器件制造之前無法對其進行完全表征。

他們發(fā)現(xiàn)，通過在與電路級噪聲匹配的條件下模擬其子系統(tǒng)碼的性能，他們的編碼可以用比表面碼少4.3倍的物理量子比特、比當前最佳子系統(tǒng)碼少 5.1 倍的量子比特來達到同樣的物理錯誤率。

Breuckmann說：“據我們所知，在這種實用電路級去極化噪聲機制中，我們提出的編碼在量子比特開銷方面優(yōu)于所有已知的量子糾錯編碼。”

該團隊希望他們的工作能夠激發(fā)使用類似原理設計的新系列量子糾錯碼的構建，進一步減少容錯量子計算的開銷。

“希望我們的工作可以降低構建容錯量子計算機的成本。我們用于量子糾錯的新方法可能允許使用更少、更便宜的組件來構建量子計算機?！盚iggot表示。