8、拓扑量子纠错实验：原理、实践与成果

拓扑量子纠错实验：原理、实践与成果

量子计算机凭借其超越经典计算机极限的强大并行计算能力，成为了21世纪量子物理学家梦寐以求的目标。然而，学术界公认长期困扰其物理实现的最大问题——“退相干效应”（由于量子计算机与环境不可避免的耦合，产生各种噪声，导致计算过程中出现大量错误）尚未得到解决。为克服这一困难，需要开发量子纠错技术。

1. 量子纠错技术概述

阈值理论是量子纠错理论中最重要的成果，它阐述了在量子计算机中，如果每个门出错的概率 (P) 小于某个阈值 (P_C)，就有可能实现任意长且精确的量子计算。但大多数具有高容错阈值（(10^{-4} \sim 10^{-2})）的量子容错计算需要长程强粒子间相互作用，实验上难以实现；而仅需要局部相互作用的容错量子计算方案通常对应较低的容错阈值。对于基于二维晶格量子比特和最近邻逻辑门的传统级联编码，已知的最高容错阈值为 (2.02×10^{-5})。

2. 拓扑量子纠错优势

在二维晶格中，基于簇态拓扑量子计算的理论框架进行拓扑量子纠错具有优势。该方案利用三维（3D）簇态的拓扑性质，其结构对错误具有高度鲁棒性，允许通过局部测量实现量子计算和同时纠错。通过结合主动纠错和拓扑方法，可获得高达 (0.7 - 1.1\%) 的容错阈值和高达 (24.9\%) 的损耗容错阈值，极大降低了操作精度要求，达到了现有实验技术可实现的水平。

3. 拓扑量子纠错理论

当最基本的相互作用图嵌入所谓的单位元胞复合体的3D结构中时，我们可以利用3D簇态进行量子纠错和容错量子计算。单位元胞复合体包括体、面、边和顶点，量子比特编码在单位元胞复合形式的边和面中。

在图态中，每个面通过代表