霍尼韦尔实验证明逻辑量子比特性能优于物理量子比特

在霍尼韦尔的两个不同的量子计算机（H1-1和H1-2）中测量的典型错误。单量子比特门错误（SQ）、双量子比特门错误（TQ）、状态制备和测量错误（SPAM）、电路中间测量和复位串扰错误（MCMR）。SQ和TQ错误率是用随机基准实验测量的。

根据Ryan-Anderson，量子纠错主要包括以下几个里程碑：

• 进行反复、多轮的容错量子纠错；

• 前馈和有条件地应用综合征提取；

• 实现对量子纠错码的实时确定修正；

• 演示通用算法实时解码；

• 用两个逻辑量子比特扩大量子纠错的规模；

• 当逻辑量子计算开始优于物理量子计算时，可以达到盈亏平衡点。

“现在，Quantinuum已经实现了完成这一目标所需的部分里程碑。”Ryan-Anderson说道。

03

实验如何进行？五量子比特码与色码

最新的研究说明了Quantinuum团队在量子纠错和两个逻辑量子比特方面的进展：团队测试了五量子比特码和色码。五量子比特码不允许只使用两个逻辑量子比特的容错横向门。研究人员使用“可分片（pieceable）”的容错能力将最初的非容错逻辑门操作分解为单独的容错部分。而色码允许使用自然容错的横向CNOT门。

H1-2最多可以使用12个量子比特，H1-1最多可以使用20个量子比特：五量子比特码在H1-2上测试，而色码在H1-1上测试。两台计算机都使用相同的表面电极离子阱来控制镱离子作为量子比特。通过聚焦激光束将离子传输到隔离门区域，提供了低串扰的门和中间电路测量操作。

研究人员使用不同的电路元件组合进行了五次实验，以测试五量子比特码，并了解容错设计和电路深度对其的影响。该团队发现，由于需要大量的CNOT操作，为提高容错能力而设计的额外电路对逻辑操作的整体保真度产生了负面影响。

五量子比特码的不同CNOT结构的量子电路布局。电路不同部分用不同的颜色表示。灰色的部分在每个结构中都是不变的；在实验的不同结构中，绿色部分是不同的：容错初始化、双量子比特QEC循环，以及测量输出方案。

用于测试色码的横向CNOT门的不同实例电路。使用与五量子比特码电路图相同的符号，灰色方框表示所有实例中都使用的电路部分，绿色方框表示用于增加容错量的附加电路。

左：五个不同的五量子比特码实验的逻辑保真度与两量子比特门数比较。红色方块表示X基态，蓝色三角形表示Z基态，绿色星星表示X和Z基态的混合物，在CNOT门的作用下理想地产生贝尔对；右：实验和模拟的逻辑保真度与七个不同颜色代码实验中的双比特门数的对比。红色、蓝色和绿色的标记分别表示理想情况下产生X、Z和贝尔基的输出状态。实线代表实验数据，虚线代表模拟数据。

五量子比特码和色码的贝尔态实验对逻辑错误率的影响。

色代显示出了更好的结果，部分原因是能够使用横向CNOT门。该团队进行了七次实验，以研究这些代码的容错潜力。对于色码，研究人员发现状态制备和测量电路受益于容错电路的增加，并显著降低了错误率：逻辑量子比特为99.94%，而物理量子比特为99.68%。这是使电路从端到端容错所需的唯一附加电路，因为逻辑CNOT是横向的，自然具有容错能力。

因此，研究人员得出结论，“色码相对经济的容错电路将比高效的五量子比特码提供更好的计算平台。”

Hayes表示，该团队的下一步将是超越盈亏平衡点，并提供工作证明。“我们正在获得证据，证明我们真的非常接近那个点，但要真正证明它，还有很多工作需要做。仅仅到达那里是不够的，你必须真正超越它。”

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新的经典+量子连接

该实验的另一个进展是一个具有增强功能的新型经典处理器，这对于可扩展的算法解码器来说至关重要。来自经典函数的数据被用来支配量子程序中执行的控制流和操作。

这些实验中使用的解码器部分是用Rust编写的，并编译为WebAssembly（Wasm）。Wasm的选择提供了一种高效、安全和可移植的经典语言，以拥有可从量子程序中调用的函数。用Rust实现的解码器使用了许多高级程序构造。对这些功能的支持意味着各种可扩展的算法解码器可以在各种编译为Wasm的高级语言（例如，Rust、C和C++）中以符合人体工程学的方式实现，并从量子程序中调用。

“这对这个特定的实验来说是非常有利的，并且随着这些事情变得越来越复杂，它对未来的实验将更加重要。”Hayes说。“我们的系统具有很长的相干时间，这在集成在经典计算实时决策中是非常有利的。”

捕获离子架构的另一个优点是能够在量子电路的执行过程中进行实时决策，这要归功于较长的相干时间，以及在电路中间进行测量并根据需要重置量子比特的能力。

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Quantinuum容错成就的意义

Quantinuum的研究论文展示了一种使用实时纠错的逻辑量子比特的容错端到端电路。这也是两个纠错逻辑量子比特首次执行比其组成物理量子比特具有更高保真度的电路。重要的是，Quantinuum的容错演示创造了一个新的起点，可能使未来的研究人员能够扩大量子比特的数量[3]。

Quantinuum表示，他们在容错方面迈出了重要小步，而且是非常重要的双量子比特。它为一个新的、有前途的研究方向打开了大门。

参考链接：

[1]https://arxiv.org/abs/2208.01863

[2]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041058

[3]https://www.forbes.com/sites/moorinsights/2022/08/04/quantinuum-makes-a-significant-quantum-computing-breakthrough-by-connecting-the-dots-of-its-previous-research/?sh=4c983b6f562c