Improved error correction with leakage reduction units built into qubit measurement in a superconducting quantum processor
本文提出并实验验证了一种直接集成在超导跨子比特（transmon qubit）测量中的高保真度泄漏还原单元（LRU），该单元能够有效消除向非计算态的泄漏，且不产生时间开销或保真度损失，从而成功抑制了量子纠错实验中的逻辑错误率。
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量子计算机有望解决传统机器需要数千年才能解决的问题，但它们是出了名的脆弱。为了运行，这些机器依赖于将信息保持在微妙状态中的微型电路，通常使用冷却到比深空还要冷的温度的超导回路。目标是让这些电路保持稳定，足以进行复杂的计算。然而，环境充满噪声，电路经常出错。为了解决这个问题，科学家们使用了一种称为量子纠错的技术，将信息分布在许多物理电路中，这样如果其中一个失效，其他电路可以进行补偿。这种冗余是构建一台能够无限期运行而不崩溃的机器的唯一已知途径。然而，一种特定类型的错误长期以来一直威胁着要破坏这些努力。与纠错技术可以很好处理的简单比特翻转不同，一种更危险的错误发生在电路意外滑入了一个它从未被允许占据的状态时。这种“泄漏”就像一名工人完全走出了工厂车间；一旦离开，工人就无法通过常规指令被引导回来，而他们的缺席可能会引发导致整个系统崩溃的连锁反应。
位于荷兰的 QuTech 研究人员现在展示了一种捕捉这些“滑落”电路并将其带回工作岗位而不减慢计算机速度的方法。在一项新的研究中，他们引入了一种方法，该方法就像是一个直接内置在机器检查自身状态时刻的安全网。在标准的量子处理器中，检查电路的状态需要时间，而修复错误通常需要一个单独的、专门的步骤，这会暂停计算。该团队发现了一种将检查和修复结合成单一、无缝动作的方法。他们开发了一种协议，利用精心计时的微波能量脉冲，将跌入禁用状态的电路推回其正常的运行范围。至关重要的是，这发生在机器读取电路数值的同时发生，这意味着计算机不会损失任何时间来执行修复。
实验重点研究了一种常见的量子电路类型——跨子（transmon），它具有三个主要能级。两个较低的能级用于常规计算，而第三个较高的能级则代表了危险的泄漏。当电路滑入这个第三能级时，它就无法再受标准逻辑控制。研究人员设计了一个过程，同时将电路从高能级推离，并将其拉回到它所属的中间能级。他们通过同时向电路本身和附近的谐振器（一种用于读取电路状态的设备）发送两个微波信号实现了这一点。这些信号之间的相互作用创造了一个单向路径。一旦电路向正确的能级移动，系统的物理特性就会发生变化，从而防止其再次向上滑动。这种定向流动确保了电路能够被高效地重置。团队验证了该过程在 98.4% 的情况下消除了泄漏，同时仍能让机器高精度地读取电路状态。
为了证明这种方法在现实场景中有效，研究人员将其集成到两种不同类型的量子纠错实验中。在第一种实验中，他们测试了一个记忆实验，该实验测量信息在一段时间内保存得有多好。在第二种实验中，他们测试了一个稳定性实验，该实验测量信息在电路网络中传输得有多好。在两种情况下，他们都将新方法的性能与标准技术进行了比较。结果显示，当使用这种新的泄漏减少方法时，即使在泄漏率很高的情况下，计算机产生的逻辑错误也更少。当该方法与一种能够区分三个能级（而非仅仅是两个标准能级）而非仅两个能级的更详细读取方式相结合时，改进最为显著。这种额外的信息使计算机的纠错软件能够做出更好的决策，有效地抵消了由泄漏造成的损害。
这项工作的意义在于其效率。以往修复泄漏的尝试需要专门的时间步，这会增加计算延迟，并往往在等待期间引入新的错误。通过将修复直接嵌入到测量过程中，研究人员消除了这种时间惩罚。他们证明了计算机可以运行得更快、更可靠，因为它不再需要停下来清理自己的错误。研究还证实，该方法不会降低所读取信息的质量，能保持正常计算状态的高水平准确性。虽然研究人员指出，将这种方法扩展到更大、更复杂的机器仍需进一步工作，但该实验为量子计算的一个主要瓶颈提供了一个清晰且实际的解决方案。通过将一种持久的关联错误源转变为一个可控事件，这项技术让构建容错量子计算机的梦想又近了一步。
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