容错量子计算再创新高！新架构大幅减轻纠错开销

光子盒研究院

今天，Alice&Bob宣布了在量子纠错领域的最新成果，为通往容错量子计算的道路迈出了重要一步。

这家位于巴黎的量子初创公司已经确立了开发第一台通用容错量子计算机的目标，并随着这一消息的发布，实现这一目标的前景变得更加明朗。

Alice&Bob公司的创立旨在研究所谓的“猫量子比特”（Cat qubit）技术。

这项技术的原理是采用一种硬件架构，几乎消除了比特翻转，因此只需实现纠正相位翻转的功能即可实现量子纠错码。

在这项新研究中，他们更进一步实现了一种被称为低密度奇偶校验码（LDPC）的纠错码，其效率远远超过常用的表面码。

LDPC的传统问题在于，它要求量子比特能够连接到更远处的其他量子比特，即远距离连接。

而表面码的优势在于，它可以通过仅连接到最近邻的量子比特来实现。

Alice&Bob与Inria公司的研究人员合作，取得了突破性进展：开发出了一种可以通过短程连接实现的LDPC码，使其更加实用。

对于容错量子计算机来说，一个非常关键的比值是物理比逻辑比。

该比值表示实现一个逻辑量子比特所需的物理量子比特数量。这个比值越低越好，因为这样更容易在硬件中实现，还能降低机器的成本等。

然而，问题在于在许多已经开发的量子纠错码中，这个数字通常相当高，可能是1000:1甚至更高。

将猫量子比特和LDPC结合，该团队开发了一种架构，可以用大约1500个物理量子比特实现100个逻辑量子比特，从而获得15:1的物理-逻辑比。

这一比例比之前提到的1000:1的比例要好得多，为实现更有效的量子计算提供了更为可行的途径。

通过在猫量子比特架构中引入LDPC码，这项最新的合作不仅展示了如何进一步减小容错量子计算机的量子比特足迹，同时成功克服了在实施量子LDPC码（qLDPC）过程中的两个关键挑战。

值得一提的是，在应用LDPC码时，猫量子比特的运用进一步减少了30倍的量子比特，为量子计算的高效性和可行性带来了显著的提升。

这一合作成果为量子计算领域的技术创新和纠错方法的发展开辟了新的可能性。

泰奥·佩罗宁（Théau Peronnin）

量子纠错的开销因此减少，使得运行100个高保真逻辑量子比特（错误率为10^-8）只需1,500个物理猫量子比特。

Alice&Bob公司首席执行官泰奥·佩罗宁（Théau Peronnin）表示：“这种采用LDPC码和猫量子比特的新架构只需不到10万个物理量子比特就能运行肖尔算法，比竞争对手要求的2000万量子比特低200倍。”

“我们的方法使得量子计算机在时间、成本和能耗方面更加现实，这表明我们将继续致力于利用纠错逻辑量子比特推进有影响力的量子计算。”

关于LDPC背后理论工作的详细介绍可在arXiv上查阅。

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2401.09541

(上图）稳定器测量电路中所用操作的物理误差概率，(下图）不同编码和误差模型的拟合参数

量子计算机布局示例。上层“计算”层的辅助逻辑量子比特采用重复码编码，而下层“存储”层的算法逻辑量子比特采用高速率相位翻转码编码

他们的研究论文中还描述了一个在其他量子纠错论文中并不常见的方面，即他们开发了一种利用倒装芯片技术将两层芯片连接在一起来实现通用门集的方法。

为了实现任何潜在的量子算法，都需要一个通用门集，而通用门集的实现相对较为复杂。

如下图所示，该架构包括一个使用LDPC代码的所谓“存储层”和另一个用于实现门的芯片，后者被称为“计算层”，它使用了重复代码。

因此，这些进展看起来非常有希望，但我们应该记住，这种架构仍然是理论性的，需要用实际硬件来证明。

有时，真实硬件的工作方式可能与理论预测的不完全相同。

然而，演示可能很快就会出现，因为Alice&Bob上个月发布了一个测试芯片。

一旦他们完成芯片测试，就可以展示理论是如何在实际工作中发挥作用的。

因此，总体而言，量子纠错技术正在飞速发展。如果发展速度能够跟上，这可能意味着容错量子计算机将在未来几年内问世，且速度可能比我们之前想象的更快。

尽管一些首批机器可能只支持几百个逻辑量子比特，但这已经足够用户运行一些具有商业量子优势的应用。

参考链接：

[1]https://www.eetimes.eu/alice-bob-speeds-era-of-fault-tolerant-quantum-computing/

[2]https://thequantuminsider.com/2024/01/23/alice-bob-led-research-shows-novel-approach-to-error-correction-could-reduce-number-of-qubits-for-useful-quantum-computing/

[3]https://world.einnews.com/pr_news/683123064/new-research-by-alice-bob-reduces-number-of-qubits-for-useful-quantum-computing-with-new-approach-to-error-correction