在超导量子处理器上实现保真度超出蒸馏阈值的逻辑魔态

量子计算机在某些任务上有可能超越传统计算机，包括复杂的优化问题。然而，量子计算机也容易受到噪声的影响，从而导致计算错误。

工程师们一直在尝试设计容错的量子计算方法，这种方法可以更好地抵抗噪声，从而可以更稳健地扩展规模。实现容错的一种常见方法是准备魔法状态，这引入了所谓的非Clifford门。

中国科学技术大学、河南省量子信息与密码学重点实验室和合肥国家实验室的研究人员近日在超导量子处理器上演示了保真度超过蒸馏阈值的逻辑魔态的制备。他们的论文发表在《物理评论快报》上，概述了一种生成高保真逻辑魔态的可行且有效的策略，这是一种实现容错量子计算的方法。

“我们在量子纠错领域有一个长期计划，”该论文的合著者朱晓波教授告诉Phys.org。“在完成之前针对重复纠错的距离3表面代码的工作之后，我们认为下一个重点是逻辑魔法状态的准备。”

朱教授及其同事近期研究的最终目标是实现鲁棒、容错、通用的量子计算。逻辑魔态的准备是实现非克利福德逻辑门的关键一步，进而实现容错量子计算。

“简单来说，我们协议的基本思想是首先将要准备的状态注入到表面代码中的一个量子位中，然后将状态信息‘传播’到整个表面代码，从而实现逻辑状态准备”朱教授解释道。“在这个协议中，要准备的状态的注入位置和其他量子位的初始化状态的选择很重要。”

该研究团队提出的协议概述了一种简单、实验上可行且可扩展的策略，用于在超导量子处理器中准备高保真原始魔态。作为他们最近研究的一部分，朱教授和他的同事将该协议应用于Zuchongzhi2.1，这是一个具有可调谐耦合设计的66量子位量子教授。

“该处理器的设计使我们能够操纵任意两个相邻量子位之间的相互作用，确保我们的量子门在高度并行性的情况下仍具有足够高的保真度，”朱教授说。“这种设计也有利于扩大一个处理器上量子位的规模。”

当研究人员在Zuchongzhi2.1处理器上实现他们的协议时，他们取得了非常有希望的结果。具体来说，他们无损地制备了三个逻辑魔态，逻辑保真度分别为0.8771±0.0009、0.9090±0.0009和0.8890±0.0010，高于状态蒸馏协议阈值0.859(对于H型魔态)和0.827(对于T型魔法状态)。

朱教授说：“通过成功制备保真度超过蒸馏阈值的距离三逻辑魔法状态，我们在基于表面代码的容错计算的发展中实现了一个重要的里程碑。”“这个结果意味着我们可以将低保真度的魔法状态输入到魔法状态蒸馏电路中，进行多次蒸馏以获得足够高保真度的魔法状态，然后利用它们来构造容错的非Clifford逻辑门。”

未来，朱教授和他的同事开发的协议可以被其他研究团队使用，利用更广泛的超导量子处理器来实现高保真原始逻辑魔法状态。最终，它可能有助于实现鲁棒的容错量子计算，进而促进更大规模量子计算机的开发。

“在量子纠错领域，我们计划继续探索两个主要研究方向。”朱教授补充道。“首先，我们的目标是通过降低物理操作错误率和增加编码量子位的数量来增强逻辑量子位(或纠错量子存储器)的性能，从而将逻辑错误率抑制到实用水平。其次，我们进行对纠错逻辑运算(例如晶格手术)的实验研究，以应用于未来的容错量子计算。”