Quantinuum研究人员通过实时量子纠错将逻辑量子比特纠缠在容错电路中，取得了一个重要的里程碑。这项研究是首次在类似环境下对不同量子纠错码进行实验比较研究，并展示了几个不同实验的集合。这些实验包括：

• 使用实时纠错以完全容错方式完成的两个逻辑量子位之间的纠缠门的首次演示
• 逻辑纠缠电路的首次演示，其保真度高于相应的物理电路。

这一里程碑式的成就很重要，因为它标志着逻辑量子比特首次被证明优于物理量子比特——这是迈向容错量子计算机的关键一步。

“Quantinuum 的捕获离子量子计算路线图是围绕持续升级而设计的，使我们的灵活架构和精确控制能力成为可能。这一组合提供了卓越的、首创的成就，有助于加速整个行业。”Quantinuum 总裁兼首席运营官 Tony Uttley 表示。

Quantinuum 的理论和架构技术经理、新研究论文的合著者David Hayes表示，这项研究使量子计算更接近于编码电路优于更原始的操作。

“人们以前曾使用过纠错的量子比特，但他们还没有达到这种编码操作比原始操作更好的特殊点，”Hayes说。“这里的另一件新鲜事是，在其他实验中，我们在进行操作的同时进行纠错。对我们来说重要的下一步是进一步降低由纠错本身引起的错误率。” 

该研究结果在新的研究论文《在五量子比特纠错码和颜色码上实现容错纠缠门》中进行了描述。这篇论文最近发表在arXiv上。在这些测试中，科学家们使用了由霍尼韦尔提供支持的 H1-1 和 H1-2 量子计算机来比较五量子位错误代码和距离三色代码。

量子研究人员处于实验量子纠错的早期阶段，需要测试大量代码。由于机器的架构，与其他量子硬件设计相比，Quantinuum 研究人员可以探索更广泛的量子错误代码。 

系统模型 H1 使用捕获离子设计和量子电荷耦合器件架构 (QCCD)。除了这种设计固有的灵活性外，另一个优势是全对全连接。所有量子位都相互连接，这使得通过离子链移动信息变得容易，而不会在此过程中产生多重错误。

Hayes说:“每次我们想要尝试新的代码时，都必须构建一台新机器，我们可以给机器编程，让它运行不同的代码，进行测量并权衡不同的利弊。”

推进量子纠错

所有形式的技术都需要纠错，包括数据中心的服务器和向地球发送信号的太空探测器。对于 Quantinuum 和其他量子计算领域的公司来说，量子纠错是最重要的进步支柱之一。错误会阻止量子计算机在不堪重负之前产生可靠的结果。Quantinuum 的研究人员正在努力实现容错这一里程碑，这意味着可以将错误抑制到任意低的水平。 

该论文的另一位合著者、Quantinuum 的高级物理学家 Natalie Brown 说，由于量子力学的基本性质，大多数经典的纠错原理在量子计算机上都失效了。 

“将噪声抑制到非常小的水平变得非常困难，这成为量子计算中的一个问题，”她说。“最有希望的候选方案是量子纠错，我们将物理量子比特制成逻辑量子比特。”

逻辑量子位是一组物理量子位一起工作以执行计算。对于计算中使用的每个物理量子位，其他辅助量子位执行一系列任务，例如发现和纠正发生的错误。

Quantinuum 的高级高级物理学家、新论文的合著者 Ciaran Ryan-Anderson 表示，最新的研究论文建立在 2021 年进行的研究的基础上。这项工作解释了Honeywell Quantum Solutions的研究人员如何对单个逻辑量子比特应用多轮量子纠错。

“首先要证明的真正重要的事情之一是这些重复的量子纠错周期，”他说。

这是 Ryan-Anderson 的量子纠错清单上的几个里程碑之一：

• 进行反复的容错量子纠错
• 前馈并有条件地应用综合征提取
• 启用量子纠错码的实时校正确定 
• 演示通用算法实时解码
• 使用两个逻辑量子位扩大量子纠错 
• 当逻辑量子计算开始优于物理量子计算时达到盈亏平衡点 

“Quantinuum 现在已经实现了实现这一目标所需的一些里程碑，”Ryan-Anderson 说。

Five-Qubit Code和Color Code

在2021年涉及一个逻辑量子比特的研究的基础上，最新的研究展示了 Quantinuum 团队在量子纠错和两个逻辑量子位方面取得的进展。该团队测试了量子专家熟悉的两个错误代码：五量子位码和颜色代码。五量子位码不允许仅使用两个逻辑量子位的容错横向门。研究人员使用“可分段”容错将最初的非容错逻辑门操作分解为可单独容错的部分。然而，颜色代码确实允许使用自然容错的横向 CNOT 门。

实验是如何进行的

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。五量子位码在 H1-2 上测试，而颜色代码在 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。使用聚焦激光束将离子传输到隔离栅极区域可提供低串扰栅极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，以测试五量子位码并了解容错设计和电路深度的影响。该团队发现，由于需要大量的 CNOT 操作，为提高容错性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。 

颜色代码显示了更好的结果，部分原因是能够使用横向 CNOT 门。该团队进行了七次实验来研究这些代码的容错潜力。通过颜色代码，研究人员发现状态准备和测量电路受益于添加容错电路，错误率显著降低：逻辑量子比特为 99.94%，而物理量子比特为 99.68%。这是使电路具有端到端容错能力所需的唯一附加电路，因为逻辑 CNOT 是横向的并且自然具有容错能力。

研究人员得出结论，“相对经济的容错电路的颜色代码将提供一个更好的计算平台比量子比特高效的五量子位码。”此外，研究人员发现，五量子位码仅在物理错误率远低于量子计算机目前的系统中才有用。 

Hayes表示，该团队的下一步将是突破盈亏平衡点，并提供这项工作的证据。“我们得到的证据表明，我们真的非常接近这一点，但需要做很多工作才能真正证明这一点，”“仅仅做好是不够的，你必须真正克服它。”

一种新的经典+量子连接

该实验的另一个进步是具有增强性能的新型经典处理器，这对于可扩展的算法解码器至关重要。经典函数的数据用来指示量子程序的控制流程和执行的操作。

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、可移植的经典语言，具有可从量子程序调用的函数。  

Rust 实现的解码器使用了许多高级程序结构。对这些特性的支持意味着各种可扩展的算法解码器可以在各种高级语言中以符合人体工程学的方式实现，这些高级语言可以编译为 Wasm（例如 Rust、C 和 C++）并从量子程序中调用。

Hayes说:“它为这个特殊的实验提供了很好的条件，随着这些事情变得越来越复杂，它对未来的实验将变得更加重要。”

捕获离子架构的另一个优势是能够在量子电路执行期间进行实时决策，这要归功于长相干时间以及根据需要进行中间电路测量和重置量子位的能力。 

Hayes说:“我们的系统具有非常长的相干时间，这在集成传统计算实时决策时非常有利。”

原文链接：https://www.quantinuum.com/pressrelease/logical-qubits-start-outperforming-physical-qubits

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