Photon-stimulated decay of $χ$-matched ancillas causes unheralded bit flips in bosonic codes

在构建能够解决经典计算机无法处理的问题的量子计算机的过程中，科学家们面临着一个顽固的敌人：噪声。量子信息极其脆弱，极易受到环境中最轻微的振动或波动的干扰而变得混乱。为了保护这些脆弱的数据，研究人员开发了一种称为纠错的策略。与其试图让物理组件变得完美，不如将一个被称为“逻辑比特”的单一信息片段分布在许多物理组件上。如果其中一部分失效，系统可以检测到错误并在不破坏信息的情况下将其修复。一种极具前景的方法是利用困在微波腔内的光，通过存储在腔内跳动的光子（即光粒子）数量中来保存数据。为了检查数据是否依然安全，系统需要一个助手，即一个被称为“辅助比特”（ancilla）的小型量子设备，它充当传感器，在不直接接触光场的情况下读取其状态。

多年来，工程师们一直依赖一种特定类型的助手，即一种被称为“跨子”（transmon）的超导电路，这种电路经过调谐，使其能级以非常精确的方式与光场相匹配。这种匹配曾被认为是完美的护盾。理论认为，如果助手出错并降至较低的能量状态，系统会立即察觉并进行纠正，或者由于控制系统的对称性规则，某些危险的错误在物理上是不可能发生的。这种设计已被用于真实的量子处理器中，例如由 AWS 研究人员开发的 Ocelot 重复码，该设计成功地将信息存储了数毫秒。普遍的假设是，助手的错误与存储了多少光无关；光越多，保护就越好，助手的行为也会保持不变。

然而，莱斯大学的亚历山大·古尔卡诺夫（Aleksandr Gulkanov）的一项新分析表明，这个护盾存在一道隐藏的裂缝。通过仔细观察助手与腔内光之间的相互作用，研究人员发现，正是那些旨在保护数据的光子，实际上可能会触发助手的特定类型故障。研究显示，当腔内充满光子时，助手可能会发生一种此前被认为是不被允许的跃迁。在这个过程中，助手在降至较低能量状态的同时，竟然向光场中增加了一个光子。至关重要的是，这一事件发生时没有任何警告信号传给计算机。系统不知道发生了错误，并且由于助手的状态变化方式混淆了数据，导致存储的信息发生了翻转。这是一种“静默错误”，计算机无法检测也无法修复。

研究人员不仅在理论上提出了这一观点，还构建了一个详细的实际 Ocelot 设备模型，以观察这个隐藏通道在真实机器中会如何表现。他们发现，这些静默错误的发生率直接取决于腔内的光子数量。随着存储的光量增加，这种特定故障发生的概率也会随之增长。这与之前的模型有着显著不同，之前的模型假设无论光强如何，错误率都会保持平稳。在模拟实验中，团队观察到对于 Ocelot 设备，由该机制引起的比特翻转概率随着光子数从 4 个增加到 10 个而呈线性上升。这种增长意味着，仅仅通过增加光量来增强代码强度最终会撞上一堵墙。错误率并不会像预期的那样持续呈指数级下降，反而开始攀升，形成了一个系统无法逾越的底限。

这一发现挑战了目前优化这些量子码的理解。研究表明，光存储的大小存在一个最优值，即错误率最低时的特定光子数量。一旦超过这个点，试图通过存储更多的光来获得更多保护，反而会使系统变得更加脆弱。研究人员计算出，对于目前使用的设备，这一限制可能会限制系统区分不同类型错误的能力，从而实际上限制了计算机的性能上限。他们还指出，虽然在目前的实验中（仅测试到 4 个光子）这种效应还很微小，但其趋势在他们的模型中是清晰可见的。如果技术规模扩大到存储更多的光，这种静默失效模式将成为主要的错误来源，超越其他已知的已知问题。

论文还探讨了发生这种情况的原因。事实证明，助手和光不仅仅是坐在一起，它们是深度交织在一起的。光的存在改变了助手的能量景观，从而开辟了一条在没有光时被阻断的衰减路径。这条路径是由电噪声驱动的，电噪声是这些电路中常见的背景嗡鸣声。当光存在时，它充当了催化剂，刺激助手做出一个在没有光时不会发生的跃迁。研究人员表明，对于目前使用的这类特定类型的助手，这种效应是不可避免的，无论助手与光之间的连接有多强。减少这种风险的唯一方法是改变助手的设计，使用完全不同类型的电路，或者接受存在一个使用多少光进行保护的极限。

这些发现对未来量子计算机的设计具有直接影响。那些计划通过增加基于光的代码规模来提高性能的工程师，可能需要重新考虑他们的策略。研究表明，如果不解决这种特定的相互作用，仅仅追求更大的代码规模可能会导致收益递减，甚至导致性能恶化。研究人员强调，他们的工作是基于已知 Ocelot 设备物理特性的模拟，并根据硬件的静态测量进行了校准。虽然由于目前的设备尚未在足够高的光强下进行测试，因此在实际实验中尚未观察到这种错误率的增长，但其理论框架是稳健的。模型预测，如果实验扩展到更高的光子数量，错误率将会上升，从而证实这一新通道的存在。

归根结底，这项工作提醒我们，在量子系统中，用于保护信息的工具有时本身就会成为破坏信息的源头。用于稳定代码的光子同时也为噪声的侵入打开了一扇门。通过识别这一机制，这项研究提供了一个明确的目标。它告诉研究人员，要构建更好的量子计算机，不能仅仅停留在“光越多越好”的简单想法上，而必须关注助手与它所要保护的数据之间复杂的舞步。前进的道路在于要么重新设计助手以避免这种相互作用，要么寻找管理驱动这种相互作用的噪声的新方法，从而确保下一代量子机器能够真正利用光的威力，而不至于成为自身存在的牺牲品。