Demonstration of Logical Error Suppression in a Surface Code Memory on a Cloud-Accessible IBM Superconducting Processor

量子计算机有望解决当今机器无法处理的问题，从设计新药到破解复杂的密码。然而，这些机器极其脆弱。它们用于存储信息的微小粒子被称为“量子比特”（qubits），极易受到热量、振动甚至随机电磁波的干扰。这种敏感性会导致错误悄然潜入，在计算完成前就破坏了结果。为了制造出实用的量子计算机，科学家必须找到保护这些信息的方法。他们通过将单条数据分散存储在许多物理量子比特中，从而创建一个能够在他部分组件失效时仍能生存的“逻辑”量子比特。这被称为量子纠错。其目标是达到这样一个阶段：增加更多的物理部件实际上会让系统变得更加可靠，而不是更差，从而使计算机能够在不崩溃的情况下长时间运行。

最近，一个研究小组在一台由 IBM 开发的、可通过云端访问的真实量子处理器上测试了这个想法。他们专注于一种被称为“表面码”（surface code）的特定方法，该方法将量子比特排列成网格，以捕捉并修复错误。虽然理论表明扩大网格规模应该能大幅降低错误，但现实世界的硬件却很复杂。量子比特并不完全相同；有些更强壮，有些较弱，而且影响它们的噪声会随时间变化。研究人员想看看，他们是否可以通过仔细调整机器的操作方式，而不仅仅是依赖理论设计，来让这种纠错在实际硬件上表现得更好。他们使用了一台名为 Nighthawk r2 的处理器，其网格状布局自然契合表面码，允许他们在无需额外步骤移动信息的情况下测试不同的配置。

该团队发现，纠错性能的表现会根据他们在处理器芯片上放置网格的具体位置而发生显著变化。由于某些位置的物理量子比特质量更高，某些位置的效果要好得多。为了获得最佳结果，他们必须明智地选择位置。一旦选定了最佳位置，他们便将重点转向操作的时序。在标准设置中，机器会花费很长时间来读取用于检测错误的“辅助”量子比特（ancillas）的状态。在读取期间，主数据量子比特处于闲置状态。这段等待期是危险的，因为数据量子比特仅仅因为坐着不动就会丢失信息。研究人员发现，通过使用一种更快的读取辅助量子比特并立即重置它们的方法，可以缩短这段等待时间。这一简单的改变显著减少了数据错误。

他们还测试了一种称为“回波”（echo）的技术，即对等待中的数据量子比特施加特定的脉冲序列，以抵消它们在闲置时吸收的噪声。这种技术对于一种类型的数据存储效果非常好，使错误率降低了 21%，但对另一种类型的效果较小。通过结合快速读取、立即重置和回波脉冲，他们创建了一个优化后的程序。当他们将这种新程序与标准做法进行比较时，错误率大幅下降。对于一种类型的存储，错误率的中位数降低了 73%，而对于另一种则降低了约 30%。这证明了通过对电路构建和时序进行微调，可以对最终结果产生巨大影响。

随后，研究人员测试了扩大网格规模（即增加代码的“距离”，这是衡量系统可容忍错误程度的一个指标）会发生什么。在短期实验中（运行约 12 轮错误检查），增加网格规模的效果符合预期：较大的网格比较小的网格错误更少。这证实了随着代码规模的增长，系统正在成功抑制错误。然而，当他们将实验延长到更长时间（长达 150 轮）时，较大网格的优势开始消失。错误率停止下降并开始再次上升。

这种长期行为揭示了一个隐藏的问题。研究人员注意到，错误并非仅仅是随机、孤立的事件。相反，他们观察到了持续存在并随时间积累的错误模式，这些模式在多次实验轮次中相互关联。这些持久的关联表明，系统中正在积累某种东西，也许是一种标准纠错方法难以轻易修复的错误。看起来，虽然优化的电路在处理短时间活动方面表现出色，但在长时间维持保护方面却显得力不从心。研究得出结论，虽然我们可以通过调整硬件和电路设计取得显著进展，但要在长时间内保持系统的稳定性，仍然面临着根本性的挑战。这项工作强调，建造可靠的量子计算机不仅需要优秀的理论，还需要对特定机器在现实世界中的行为有深刻理解，甚至深入到每一个脉冲的时序和每一个单独连接的质量。