五量子比特纠错 | 潘建伟、朱晓波、陈宇翱、马雄峰等NSR

在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）最近发表的一篇研究论文中，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、陈宇翱团队，清华大学马雄峰团队，以及牛津大学等机构的科学家们用超导量子比特，对五量子比特纠错码进行了实验探索。作者们在超导量子系统上实现了[[5,1,3]]码，验证了用超导量子比特实现量子纠错码的可行性。

要实现通用容错的量子计算，关键在于量子纠错。量子纠错中，一个重要的里程碑是实现优于简单的物理量子比特的逻辑量子比特的纠错。在未来十年，实现通用量子纠错码仍然是最大的挑战，也是众所周知的难题。

在这篇题为“基于超导量子比特的五量子比特量子纠错码的实验探索”的论文中，科学家们完成了实现量子纠错的重要步骤。他们首先通过对超导量子比特进行专门的实验优化，实现了一百多个量子门。他们在文章中写到：“用于实现五量子比特纠错码的设备是一个12比特超导量子处理器。在这12个量子比特中，我们选择了5个相邻的量子比特来进行实验。这些量子比特是通过电容耦合到它们最近的比特。通过仔细的校正和对门参数的优化，我们实现单比特门的平均保真度为0.9993，两比特门的平均保真度为0.986。仅通过使用单量子比特旋转门和两量子比特受控相位门，我们实现了对逻辑态进行编码和解码。”

（a）五量子比特码的编码量子电路。（b）逻辑态|T> _L的31个稳定子的期望值。（c）逻辑Pauli算符的期望值和已编码magic态的状态保真度。

文章作者重点展示了纠正单个通用量子比特错误的五量子比特纠错码，即所谓的“完美编码”。通过在理论上编译和优化了编码过程，最邻近受控相位门的数量被减小到八个。这些实验和理论上的进步最终实现了功能齐全的五比特纠错码的基本组成部分，其中包括将通用逻辑量子比特编码为纠错码。随后，作者对纠错码的关键特征进行了验证，包括识别任意单比特错误，逻辑态的逻辑门操作，和态解码的能力。

在文章的最后，作者展望说：“通往容错量子计算之路的一个重要里程碑是实现优于简单的物理量子比特的逻辑量子比特的纠错。未来工作的方向包括实现非破坏性错误检测和纠错，以及针对五个量子比特编码在多个逻辑量子比特上执行逻辑门操作。我们的工作还可应用于短期量子计算的错误缓解。”

此项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院、上海市科学技术委员会、安徽省量子信息技术引导项目、以及工程和物理科学研究委员会等的支持。