在超导量子系统中实现量子纠错

来源：《中国科学报》2019-2-28 赵广立

近日，清华大学交叉信息研究院孙麓岩研究组和段路明研究组与中国科学技术大学邹长铃研究组合作，在超导量子系统中实现了微波光子二项式量子纠错码，首次同时实现逻辑量子比特的量子纠错和通用量子门操控。该成果论文《基于二项式波色码的量子纠错和通用量子门操作》已在线发表于《自然—物理》杂志。

在一般的量子纠错方案中，每个逻辑量子比特由多个物理比特组成，通过冗余的自由度实现纠错。然而，随着物理比特数目的增加，系统可能发生的错误通道也会增多，同时多物理比特编码的操作需要物理比特之间非局域的相互作用，因此实验上量子纠错和逻辑比特的量子门都很难实现。为了克服这些问题，孙麓岩研究组采用了一种基于单个微波谐振子的物理架构，首次在实验上证明了二项式量子纠错码和在纠错保护下的量子门操控。在该方案中，单个微波谐振子的无限大希尔伯特空间提供了有效的冗余自由度来实现量子信息编码，而错误通道的数目保持不变，因此对硬件的要求大大简化，具有较强的可操作性。

在实验中，该研究组发展了基于可编程逻辑门阵列的快速、实时量子反馈技术，同时利用接近量子极限的微波放大器实现了量子比特快速、高保真度读取。基于这两项技术，他们实现了对逻辑量子比特的连续量子纠错，将相干时间延长为没有量子纠错时的2.8倍；同时，实现了对单个逻辑比特高保真度通用量子门操作，平均门操作保真度为97%。

量子计算机具有在某些问题上远超经典计算机的运算能力，然而，存储量子信息的物理系统不可避免会与环境相互作用，受到噪声的影响而失去量子特性。因此，一个实用的、可容错量子计算机要求对量子纠错码（即逻辑量子比特）实现编解码和纠错，并在纠错保护下进行量子逻辑门操控，从而防止不必要的或不受控制的错误干扰，实现对量子信息的保护。

编辑：李华山