量子计算机——信息被编码为可以同时以多种状态存在的量子比特（qubits）的机器——长期以来一直被吹捧为解决经典计算机难以解决的问题的潜力。但是以量子比特编码的信息是微妙的，并且在嘈杂的现实世界中，容易出现难以捕捉和纠正的错误。

此类错误如果不受控制，将在任何复杂性的量子计算中迅速失控。因此，解决真正难题的机器需要具有“容错性”，不仅能够嗅出错误，而且能够控制错误的蔓延。完全容错的量子计算绝非易事。事实上，在2018 年的一篇讨论很多的演讲和论文中，加州理工学院量子物理学家约翰普雷斯基尔将其称为“一个相当遥远的梦想”。

由 Optica 研究员 Christopher Monroe 领导的马里兰大学、杜克大学和美国佐治亚理工学院的研究人员最近的工作可能使梦想更接近现实。使用 Monroe 马里兰州实验室的离子阱量子计算机，该团队开发了一种方法，将单个物理量子位组合成一个“逻辑量子位”，不仅能够识别和捕获错误，而且能够纠正错误并防止其传播。

代码的结果是一个逻辑量子位，原则上比组成它的单个物理量子位更可靠。该团队希望通过将这些逻辑量子位连接到更复杂的逻辑门和情况中来构建这一概念证明。

小心轻放

结合多个物理量子位本身的“逻辑量子位”的概念并不新鲜。事实上，人们早就知道它是量子纠错的基础。这种纠错的一个关键挑战是在计算过程中无法复制或测量量子位来检查它们的状态。这是因为这样做会破坏量子比特的量子特性，例如多态的纠缠和叠加——这是使量子计算首先具有潜在优势的“秘密武器”。

将多个冗余物理量子位收集到一个逻辑量子位中，允许对系统进行间接检查，而无需物理查询任何一个量子位。但根据这项新研究的作者，逻辑量子位中的量子纠错与容错之间的飞跃是巨大的。容错计算机不仅可以捕获和纠正错误，还可以限制“错误在整个系统中传播的方式”，以避免在关键电路位置出现级联逻辑错误。

尽管存在额外的挑战，但研究人员在容错量子纠错方面取得了一些进展。但是，新论文的作者认为，这些努力在某些重要方面都没有达到。例如，某些设置已经能够识别故障，但无法提取足够的信息来纠正它们。其他人已经实现了以容错方式纠正单个量子位错误的能力——但将信息编码到或准备这些量子位的量子状态的过程本身并不是容错的，这为其他错误打开了后门。

寻求端到端的容错

新工作背后的团队希望实现一个端到端的容错代码，涵盖“所有必需的操作：状态准备、测量、逻辑门和稳定器测量。”

Christopher Monroe 实验室中装有离子阱量子计算机的盒子

为此，他们使用了马里兰大学联合量子研究所 (JQI) 门罗实验室中的实验性离子阱量子计算平台。在该平台上，多达 32 个相同的、激光冷却的171 Yb +离子被困在真空室中的微制造芯片上的阵列中，用作物理量子位。为了执行计算操作，可以用来自 32 个独立可控激光器的光照射单个离子。

为了从这些单独的物理量子位创建逻辑量子位，研究人员选择了一种现有的量子纠错码，即所谓的Bacon-Shor 码，它特别适合离子阱系统。众所周知，该代码具有纠正任何单量子位错误的能力。而且，特别是在离子阱平台上，其特性将允许相对容易的容错代码准备和测量。

一个 15 离子阵列

该团队使用 15 个俘获离子将其逻辑量子位设置为线性阵列，其中 9 个用作数据量子位；Bacon-Shor 代码所需的另外四个“辅助”量子位；和两个空闲的量子位（阵列的每一端一个）将其他离子推入均匀的间距。然后，研究人员在存在噪声的情况下，让这个逻辑量子位通过一系列操作，包括状态准备、测量、逻辑门和稳定器测量。

状态准备和测量中逻辑量子位的错误率为 0.6%——低于这些步骤中涉及的任何单个量子位纠缠操作的最低错误率。这清楚地表明逻辑量子位正在清除单个量子位操作中的错误，并防止这些错误组合成更高的错误率。

该团队还能够通过一个简单的量子逻辑门（所谓的克利福德门）移动量子位，错误率仅为 0.3%，这表明逻辑量子位可以有效地控制错误并防止其传播。研究人员甚至有意将单量子位错误注入系统中——并发现逻辑量子位能够在所有情况下捕获并纠正它们。“我们已经证明，”该团队总结道，“逻辑量子位的容错控制能够纠正所有单量子位错误。”

胜过其各部分的总和

在与该研究一起发布的新闻稿中，JQI 研究生、该研究的第一作者 Laird Egan 将这项新工作描述为“确实证明了量子纠错有效的概念”。该研究的合著者、杜克大学的肯尼斯·布朗表示，容错纠错将“使我们能够从有缺陷的量子部件中制造出非常可靠的量子计算机。”

然而，从团队最初的概念验证到完全容错量子计算的烤箱准备，可能仍然是一条漫长的道路。研究人员现在正致力于将系统扩展到更具挑战性（和实用）的量子逻辑门、跨多轮计算的主动纠错方案以及多逻辑量子位系统。尽管如此，他们仍然相信，目前的工作可能会成为实现完全容错量子计算机旅程中的一个重要里程碑。