Error-Corrected Memory and Logic on a Heavy-Hex Superconducting-Qubit Processor
本文表明，通过采用包括动态代码重新设计、组件排除和先进解码技术在内的噪声感知策略，可以在一个异构的 156 位超导处理器上实现高性能的容错量子存储与逻辑，从而显著降低逻辑错误率并使贝尔保真度提升至 97% 以上。
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构建实用的量子计算机通常被描述为一场与噪声的竞赛。在量子世界中，信息存储在脆弱的状态中，极易受到环境微小扰动的影响而发生混乱。为了保护这些信息，科学家们使用了一种称为纠错的技术，将单个数据片段分布在许多物理组件上。如果一个组件失效，其他组件可以发现错误并进行修复，而不会破坏数据本身。这种方法对于扩展量子机器至关重要，但它需要大量的组件以完美的和谐状态协同工作。挑战在于，现实世界的机器永远不会是完美的；用于存储量子信息的微型超导电路往往在性能方面存在细微差异，而且有些组件干脆就是损坏的或噪声大得多的。如果一台计算机无法容忍这些缺陷，那么制造过程将会极其浪费，导致构建大型机器变得不可能。
一个研究团队展示了一种方法，使大型量子处理器即使在包含缺陷部件的情况下也能有效工作。他们利用名为 IBM Boston 的 156 位量子比特超导芯片，在该设备上运行了一项复杂的纠错实验。他们并没有试图强迫损坏的部分发挥作用，而是开发了一种直接忽略它们的策略。通过绘制出哪些组件表现不佳，并重新设计测量调度方案以绕过它们，该团队成功保持了高性能。他们发现，通过排除表现最差的部分并使用智能计算机程序来解释结果，可以显著降低错误率。在旨在存储信息的测试中，这种方法将内存的可靠性提高了高达 35%。在旨在执行逻辑操作的测试中，改进效果更为显著，达到了 56%。研究人员还表明，通过过滤掉那些数据可能因特定类型的失败（称为“泄漏”）而受损的实验，他们可以在后选择运行中实现超过 97% 的极高保真度，从而创建纠缠态。
该实验是在一种具有独特布局的芯片上进行的，这种布局被称为重六角晶格（heavy-hexagonal lattice），它以特定的模式连接量子比特，这种模式虽然易于制造，但比简单的网格更难用于纠错。研究人员使用了一种动态码（dynamic code），这是一种会随时间改变检查错误方式的方法，使其能够适应芯片的不规则性。他们识别出了芯片上两个组件表现持续不佳的具体区域，这些区域的错误率远高于设备的其余部分。研究人员并没有丢弃整个芯片，而是重新设计了纠错协议以完全避开这些区域。这涉及创建新的、稍大的检查单元，跳过那些坏掉的组件，有效地在机器的织物中“编织”出绕过漏洞的路径。
为了理解来自芯片的数据，团队采用了先进的解码策略。他们使用一种称为 ACES 的方法来测量实验当天电路的具体噪声模式，从而绘制出一张详细的错误可能发生位置图。这张图被输入到一个解码器中——一种经典的计算机算法，充当着“翻译官”的角色，解释来自量子芯片的原始信号，以确定是否发生了错误以及如何修复。研究人员发现，使用这种详细的实时噪声信息比依赖通用的平均错误率要有效得多。然而，他们也发现，即使拥有最好的噪声图，缺陷组件的存在也会设定一个性能的硬性限制。解码器无法完全补偿坏部件；克服它们的唯一方法是在物理上将它们排除在计算之外。
团队通过三种不同的方式测试了他们的方法。首先，他们进行了内存实验，即存储一个量子态并检查其随时间推移的保存情况。他们发现，通过排除缺陷组件并使用基于噪声信息的解码器，逻辑错误率显著下降。在最佳情况下，每轮测量中的错误概率降低到了 2.56% 到 4.11% 之间。这比使用缺陷组件或使用精度较低的噪声模型有了实质性的改进。其次，他们通过运行纠错过程多次来测试系统的稳定性，以观察系统是否能随时间抑制错误。如果不排除缺陷，错误率会在大约 12 轮后停止改善，进入平台期。而在排除缺陷组件后，错误率一直下降到 30 轮，这表明只要移除坏的部分，系统确实可以抑制错误。
最后，研究人员测试了机器执行逻辑操作的能力，特别是名为“晶格手术”（lattice surgery）的过程，该过程允许两个独立的逻辑量子比特合并并相互作用。这是执行复杂计算的关键步骤。他们发现，通过过滤掉初始状态可能已经从安全计算空间中“泄漏”出去的运行过程，他们可以获得高质量的结果。当他们将这种预选择与仅保留最可靠结果的后选择技术相结合时，他们生成的纠缠态保真度超过了 97%。这意味着生成的量子态与理想的理论状态极其接近，这种质量水平是未来大规模量子计算机所必需的。
这项研究为量子计算的未来提供了一个重要的启示：实现高性能并不严格要求制造工艺达到完美。虽然芯片上的组件总会有差异，且有些不可避免地会损坏，但系统可以被设计成绕过这些缺陷。研究人员表明，通过结合主动缺陷排除、智能解码和仔细的过滤，量子处理器即使在处理不完美的硬件时也能保持高保真度。这种方法表明，随着量子芯片变得越来越大、越来越复杂，容忍并绕过缺陷的能力将与单个组件的原始质量同样重要。这项工作为在当前一代硬件上构建实用的量子计算机提供了一条切实可行的路径，证明了即使在机器并不完美的情况下，实现高性能也是可能的。
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