容错量子电路实现重大突破，资源开销大幅降低

容错量子电路实现重大突破，资源开销大幅降低

量子计算是一项新兴技术，有望比经典计算机指数级更快地解决某些问题。量子计算涉及称为量子门的基本操作，这些操作在量子比特之间建立连接。当今的量子比特仍然过于嘈杂，无法可靠执行解决实际重要问题所需的长量子算法。

量子纠错可以补偿噪声，但具有很高的开销。使用现有的量子纠错方案，单个逻辑量子比特可能需要数千个额外的物理量子比特来处理纠错。

在一篇发表于《npj Quantum Information》期刊的论文中，研究人员描述了一种新的低开销容错实现重要量子门T门的方法。该方案将实现T门的开销成本（无论是量子比特数量还是所需操作数量）减少了至少一个数量级。此外，该方案尊重最有前途的量子计算架构的许多硬件约束。

关键技术突破

任何量子算法都可以分解为从通用门集中提取的一系列门。例如，仅使用三个基本量子门——Hadamard（H）、受控非门（CNOT）和T门——就可以合成任何量子操作，从而执行任何量子算法。

量子门可分为两组：克利福德群门和非克利福德门。克利福德群中的门可以由经典计算机有效模拟；而非克利福德门则不能。在上面描述的三个基本门中，只有T门是非克利福德门。用我们的基本门集表示，所有有用的量子算法都需要许多T门。

魔术态与冗余辅助编码

在先前的工作中，实现逻辑T门最有效的方法是使用魔术态蒸馏。魔术态是一种量子态，可用于仅使用克利福德操作产生非克利福德门（如T门）；魔术态蒸馏纠正准备好的魔术态中的错误，以产生高保真度的魔术态。

在研究人员的工作中，不是使用魔术态蒸馏来准备高保真度魔术态，而是提出了一种直接准备魔术态的容错方法。

量子纠错需要对组成逻辑电路的某些量子比特进行测量；执行这些测量的量子比特称为辅助量子比特。这种称为冗余辅助编码的方案，以不同方式在不同的量子操作阶段使用相同的辅助量子比特。在方案的一部分中，使用一组辅助量子比特来检测错误；但在另一部分中，这些辅助量子比特转变为标志量子比特，可以检测小错误增长为大的不可纠正错误的事件。

使用更少的辅助量子比特允许以非常少的资源实现容错协议来准备魔术态。它还允许所有操作在最近邻量子比特之间实现，这是许多量子计算架构中的重要约束。

自下而上的方法

研究人员进一步证明，由于电路的容错性，可以使用仅物理级克利福德操作来准备具有所需保真度的魔术态，而不需要先前工作中所需的逻辑级实现。因此，该方案是一种自下而上的方法，因为所有操作都可以在物理级实现。这是在T门实现中看到至少一个数量级改进的主要原因之一。

虽然大规模和完全容错的量子计算机不在当前技术范围内，但各种量子计算架构正在逐步演示原型容错量子纠错方案。通过消除使用非常高保真度编码克利福德操作的需要，并允许使用较低保真度的物理级操作——同时尊重硬件约束——这种自下而上的魔术态准备方案使得在不久的将来更容易实现非克利福德门的容错实现。
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