Unitary fault-tolerant encoding of Pauli states in surface codes

量子计算机有望解决当今机器无法处理的问题，从设计新药到模拟复杂材料。然而，这些机器极其脆弱；来自热量或电磁波的轻微干扰都会扰乱它们所承载的信息。为了构建一台实用的量子计算机，科学家必须使用一种称为“量子纠错”的方法来保护这些脆弱的数据。这种方法就像是一个安全网，将单个信息片段分布在许多物理粒子上，这样即使其中一个失效，其他粒子也能揭示发生了什么并进行修复。这种安全网最流行的蓝图被称为“表面码”（surface code），它将这些粒子排列在一个平面网格中。虽然研究人员已经掌握了如何从这个网格中读取错误并进行修复，但一个顽固的问题仍然存在：如何在创建过程中本身不引入新错误的情况下，最初创建出受保护的、“逻辑上的”状态。

多年来，准备这些初始状态的标准方法涉及到一个两步过程。首先，科学家会将所有物理粒子设置为一个简单的、已知的状态。然后，他们会执行一系列测量来检查网格的稳定性，并利用结果来调整系统。这种方法虽然可行，但有一个隐藏的缺陷。测量行为本身是缓慢且容易出错的，而且检查网格的过程有时会以一种纠错码无法捕捉的方式传播错误。此外，在某些先进的量子机器中（例如使用陷阱离子或中性原子的机器），测量的速度远比应用一个量子门（一种量子开关）要慢得多，且噪声更大，这使得标准方法成为了瓶颈。研究人员长期以来一直寻求一种仅使用快速、局部操作来准备这些状态的方法，但以往尝试这样做的方法都未能维持该编码本应提供的极高保护水平。

在一项新的研究中，一组研究人员开发出了一种仅使用快速、局部操作来准备这些受保护状态的方法，而不依赖于在创建阶段进行测量。他们发现了一种特定的操作序列，可以从底层开始构建表面码所需的复杂纠缠态。他们成功的关键在于如何处理粒子之间的连接。他们并没有试图让每个粒子同时与所有其他粒子连接（这在许多设备中在物理上是不可能的），而是采用了一种尊重网格物理布局的逐步推进法。他们从一个简单的状态开始，逐渐扩展连接，并仔细安排步骤的顺序，以确保过程中产生的任何微小错误都能保持在极小范围内，且不会不受控制地扩散。这确保了最终状态所获得的保护水平，与使用较慢的基于测量的法创建的完全一致。

研究人员使用模拟量子门在现实噪声条件下行为的计算机模拟测试了他们的想法。他们将这种新方法与各种规模表面码的标准基于测量的法进行了对比。结果显示，对于某些类型的量子硬件，特别是那些测量速度慢且噪声大的硬件，他们的新方法明显更好。在某些情况下，新方法将逻辑错误率降低到了标准方法的十分之一。这种改进主要源于两个因素：首先，新方法使用的操作总数更少，这意味着出错的机会更少；其次，它避免了数据在与测量设备进行传输时通常会引入的错误。

该团队还探索了他们方法的两种变体。一个版本使用额外的辅助粒子（称为ancillas）来桥接主数据粒子之间的连接。另一个版本——在他们的模拟中表现甚至更好——则是让数据粒子直接相互连接。这种直接连接在那些粒子可以移动或其连接可以随时重新配置的机器中（如中性原子阵列或陷elan离子系统）是可行的。通过消除对辅助粒子的需求，研究人员消除了一整类潜在的错误，从而获得了更纯净、更可靠的初始状态。

这项工作对于量子计算的未来尤为重要，因为它为那些在测量方面面临困难的硬件平台提供了一条切实可行的路径。虽然新方法在执行步骤的数量上比基于测量的法稍长，但在许多机器上，其实际运行时间可能会更快，因为它所使用的步骤执行起来要快得多，而测量是非常缓慢且多噪的。更重要的是，它解决了一个关键的安全问题：它保证了纠错码提供的保护从状态创建的那一刻起就得到了维护。这意味着当计算机开始计算时，它起始于一个已经具备鲁棒性的状态，而不是一个在完成一轮修正之前都处于脆弱状态的状态。

研究人员承认，他们的方法并非适用于所有可能的量子架构的通用解决方案。例如，它依赖于在相邻粒子之间执行操作的能力，并且尚未解决在创建阶段同时针对所有类型错误进行保护的问题。然而，通过证明一种纯粹的操作式、无需测量的法可以达到与传统法同等的安全性，他们开启了一扇新的大门。他们的工作表明，对于下一代量子处理器，尤其是那些由原子或离子构建的处理器，最可靠的启动计算方式可能是完全跳过测量，直接利用快速、精确的量子门来构建状态。这种转变可以显著减少量子计算机等待测量的时间，并降低整体错误率，使实现容错量子计算的梦想离现实又近了一步。