有效提升量子计算机纠错能力的简易修改方法

通过对代码进行一番调整，悉尼大学本科生 Pablo Bonilla Ataides，已经有效地提升了新兴的量子计算机的纠错能力。现年 21 岁的 Bonilla 表示：“量子技术仍处于起步阶段，这部分归咎于我们无法克服因机器运算固有的不稳定性而产生的如此多的错误”。而这个简单而巧妙的改动，已经引起了位于加州帕萨迪纳市的 AWS 量子计算中心、以及美国耶鲁和杜克大学的量子技术研究人员的关注。

物理系大二的时候，Bonilla 被要求查看一些常用的纠错代码，并思考能够对其加以改进。有趣的是，通过在设计中翻转一半的量子比特（Qubit），他们发现能够将抑制错误的能力有效地提升一倍。

最近，研究合著者 Steve Flammia 博士还将工作从悉尼大学转到了 AWS 量子计算项目。在量子硬件的开发过程中，该公司发现纠错技术在其中扮演着重要的角色。

AWS 高级量子研究科学家 Earl Campbell 博士补充道：在普通人看到量子计算机带来切实的效益之前，从业者们仍面临着大量的工作。

但在看到这项研究工作后，他还是对量子纠错代码的如此细微的改进、以及可能对预测性能产生如此大的影响而感到惊讶不已。

在此基础上，AWS 量子计算中心团队还期待着与各界展开更加深入的合作，探讨其它有前途的替代方案，让新颖且强大的量子计算技术更接近于现实。

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图1.位于方格顶点上的量子比特

当前半导体行业广泛采用的数字晶体管，发生错误的几率还是极少的。我的日常生活中的智能手机、笔记本电脑、以及超级计算机，都在沿用传统的计算机设计方案。

然而量子计算机中的“开关”（又称量子比特），对外部环境的干扰（或噪声）特别敏感。为了让量子计算机能够投入实际运用，科学家表示需拥有大量高质量的量子比特。

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图2.XZZX 与开放边界 CSS 表面代码的最大似然解

其中一种方法，就是通过各种改进，来降低量子计算机的噪声水平。同时利用机器的某些能力，来抑制低于特定阈值的错误量子比特（也就是所谓的量子误差校正）。

耶鲁大学量子研究计划助理教授 Shruti Puri 表示，她带领的研究团队，对将“纯粹且优雅”的新代码运用于相关工作中深感兴趣。

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图3.两种表面代码的阈值预估

Shruti Puri 指出：尽管相关代码已经被广泛研究了将近 20 年，但这项研究却通过简单的修改而实现了卓越的纠错性能。

对于耶鲁大学和其它正在开发新一代量子技术的研究团队来说，新代码有助于极大地缩减达成可伸缩量子计算的时间。

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图4.使用匹配解码器的 XZZX 代码阈值

研究合著者、物理学院的 David Tuckett 博士表示：“这有点像是与量子对手玩战舰棋游戏，从理论上来讲，他们可以将棋子放在板上的任何位置。但在数百万场游戏之后，我们总能知晓某些潜在的招数”。

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《自然通讯》（Nature Communications）期刊上，原标题为《The XZZX Surface code》。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22274-1

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