亚马逊 | 基于玻色子量子比特的高效量子纠错新方法

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引言
量子计算机在材料设计、量子化学和密码学等领域具有巨大的计算潜力。然而，量子系统对噪声和错误极其敏感。为实现可靠的量子计算，需要量子纠错(QEC) - 通过在多个物理量子比特上冗余编码量子信息来防止错误。

AWS在Nature期刊最新发表的一项研究展示了一种新颖且高效的量子纠错方法，该方法结合了玻色子量子比特和超导线路。本文介绍这项创新研究的关键技术和实验结果[1]。

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2 J$ c/ M. F1 B8 t3 {  M量子纠错基础原理
; c3 v, c. h( a# F传统的量子纠错方法需要大量物理量子比特来保护单个逻辑量子比特，对硬件要求很高。这项新研究通过结合两种不同的错误保护方式，展示了一种更高效的方法：

玻色子编码自然抑制某些类型的错误

简单的重复编码纠正剩余错误
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图1：重复编码器件结构示意图，包含五个玻色子模式(蓝色)作为数据量子比特，通过可调耦合器与四个辅助转子量子比特(橙色)相连。该器件采用翻转芯片架构，使用超导线路实现。
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5 i7 P9 z( F1 \: x" s关键组件：猫态量子比特和重复编码
5 r$ W" N/ B, x& Z% F: j- X6 w+ b系统使用"猫态量子比特" - 在谐振子中编码的量子态，天然防止比特翻转错误。猫态得名于其状态是相干态的叠加，类似于薛定谔猫处于生死叠加态。

这些猫态量子比特排列成线性阵列，通过辅助转子量子比特相连，用于检测和纠正相位错误。整个系统实现了距离为5的重复编码，意味着可以纠正最多两个错误。

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图2：展示了转子与猫态量子比特之间的噪声偏置控制非门(CX门)操作。序列显示了门操作过程中猫态量子比特状态的演化，同时保持对比特翻转错误的保护。

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& @5 i7 u& x) v$ i6 e$ c* s猫态量子比特的天然错误保护
- ]; Y! q3 l) k5 B+ o4 w8 _研究人员使用双光子耗散技术来稳定猫态量子比特，将量子态限制在对比特翻转错误具有抗性的特定子空间中。随着猫态中光子数量的增加，对比特翻转的保护呈指数级提升。

# N3 t6 Y; r* B3 O实验证明，这些猫态量子比特可以实现超过1毫秒的比特翻转时间，同时保持27-33微秒的相位相干时间。这代表了噪声偏置(相位对比特翻转错误率之比)大于30。
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* _' Z' H+ v$ B% D5 J& W# N图3：重复编码中相位翻转错误的检测和纠正。图示展示了如何通过syndrome测量检测错误，并使用最小权重完美匹配算法进行纠正。
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错误检测与纠正
- l; c: i3 q! W3 v系统通过重复测量来检测可能影响猫态量子比特的相位错误。这些测量通过辅助转子量子比特使用受控非门操作完成。当检测到错误时，系统可以确定错误位置并通过经典处理进行纠正。
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5 F: U% I1 z# m$ s1 [& M" Z一个重要创新是使用"擦除信息" - 能够检测由于辅助量子比特中已知错误机制可能导致的不可靠测量。通过考虑这些信息，系统实现了更好的错误纠正性能。

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0 }' v- v- B- O图4：逻辑比特翻转错误率表征，显示系统在错误纠正过程中保持较长的相干时间。
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. u5 X7 P6 E. d" F- E图5：重复猫态编码的整体逻辑错误性能，显示不同错误机制对总错误率的贡献。
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3 l# Q4 D( v6 O6 M4 e5
, x4 d5 U0 _2 R0 _- ]1 }. N性能结果
. [# W0 Y2 G# @! Y% ?; D: d研究人员通过混合方法取得了显著成果：
/ [. _0 \0 _$ _8 v' ^1 s距离为5的编码每周期逻辑错误率为1.65%
距离为3和距离为5的编码性能相当，证明了良好的扩展性
8 @; Q" W& ^# W9 M+ d  n在整个错误纠正过程中保持高噪声偏置
即使在多量子比特和门操作情况下，也实现了低于1%的逻辑比特翻转概率

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总结与展望
这项研究在实用量子纠错方面取得了重要进展。这种方法具有以下优势：

使用相对较少的物理量子比特实现良好的错误抑制

系统使用平面微加工工艺实现，具有潜在的可扩展性

通过改进相干时间和控制可实现更好的性能
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% K, r2 n4 {- E7 P% D& \研究人员预计，通过优化参数和改进组件，可以实现接近0.5%的逻辑错误率。这将是实现容错量子计算的重要里程碑。

3 X1 L. m/ i2 g0 a尽管在扩展到更大系统和处理其他类型错误方面仍存在挑战，但这种结合天然错误抑制和主动错误纠正的混合方法为构建实用量子计算机提供了有效途径。

参考文献
[1] H. Putterman et al., "Hardware-efficient quantum error correction via concatenated bosonic qubits," Nature, vol. 638, pp. 927-934, Feb. 2025, doi: 10.1038/s41586-025-08642-7.
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