研究人员通过将表面码与晶格手术相结合，展示了如何在保护逻辑量子比特免受错误影响的同时，对它们进行操控并使其发生纠缠。

量子计算机常被视作通往更高速、更强大未来的曙光。然而，当前设备存在一个致命弱点——其脆弱性远非传统计算机所能比拟。最棘手的难题在于量子退相干现象：这种微妙的量子特性本是量子计算机发挥效能的根基，却会随时间逐渐消逝。当退相干发生时，往往引发两类典型错误：比特翻转与相位翻转。

比特翻转是一个更为直观的问题。本应表示“0”的量子比特，可能会意外地表现得像“1”。相位翻转则更为奇特，但同样具有破坏性。即便量子比特保持在叠加态，其组成部分之间的关系也可能突然发生转变，将正相位变为负相位，从而扰乱计算过程。

一种颇具前景的解决方案是避免依赖单一物理量子比特。相反，研究人员将一个逻辑量子比特分散到多个物理量子比特上，并反复运行纠错程序。其理念在于，让信息保持足够长时间的稳定状态，从而发挥实际作用。不过，存储仅仅是第一步。量子计算机必须对这些受保护的信息执行操作，尤其是量子门操作，它是构建量子算法的基本步骤。

容错量子运算

这正是新演示的意义所在。由D-PHYS教授安德烈亚斯·瓦尔拉夫（Andreas Wallraff）领衔的团队，与保罗谢尔研究所（PSI）以及亚琛工业大学（RWTH Aachen University）和于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）的马库斯·穆勒（Markus Müller）教授理论小组合作，展示了一种在超导逻辑量子比特之间执行量子操作的方法，同时还能纠正操作过程中产生的错误。相关研究成果已发表于《自然·物理学》。

量子纠错与经典纠错大相径庭。在经典计算中，你可以多次复制一个比特，稍后检查这些副本，并通过多数表决机制来纠正比特翻转错误。然而，这一逻辑在量子力学中却行不通，因为测量量子比特可能会破坏你试图保护的信息，况且未知的量子态从一开始就无法被复制。

“使用量子比特，情况要复杂得多，”瓦尔拉夫团队博士后研究员、该研究报告的共同主要作者（与博士生迈克尔·克尔斯鲍姆共同担任）伊利亚·贝塞丁博士说道。

量子纠错并非简单复制，而是借助量子纠缠将信息分散隐藏于多个量子比特之中，如此一来，便不会有单个量子比特承载全部信息。而由于系统还必须处理相位翻转错误——这是经典机器永远不会遇到的故障类型，其难度更是进一步加大。

表面码纠错

确保比特翻转和相位翻转错误得以修正的一种方法，是采用所谓的表面码。在此类编码中，一个量子比特的状态被存储于多个物理数据量子比特中。通过反复测量所谓的稳定子的量子态，可实现错误校正，这些稳定子与数据量子比特共同构成了逻辑量子比特。

借助与数据量子比特相连的额外量子比特来测量稳定器，其连接方式使得读取这些额外量子比特时，能够揭示出在测量间隔期间发生的任何变化——无论是比特值的变化（Z型稳定器）还是相位的变化（X型稳定器），进而实现纠错。另一方面，数据量子比特则从不被读取：它们负责存储经过纠错处理的量子比特状态。

当人们试图在两个逻辑量子比特之间执行量子逻辑操作（如受控非门操作）时，情况便会有所不同。尤其是，还必须纠正操作过程中出现的任何错误。

克尔绍姆（Kerschbaum）表示：“若能随意移动量子比特并使其任意连接，以这种容错方式执行逻辑运算将相对容易。”然而，在二维超导量子比特阵列中，每个量子比特在空间中的位置是固定的，只有空间上彼此接近的物理量子比特才能相互连接并产生交互作用。

分割正方形

克什鲍姆（Kerschbaum）表示：“晶格手术是应对这一限制的一种方法。”

在实验中，他和同事们首先对一个由17个物理量子比特编码的单一逻辑量子比特进行了纠错操作。数据量子比特与稳定子被大致排列成方形结构。研究人员在几个周期内，每隔1.66微秒读取一次稳定子状态，同时执行比特翻转和相位翻转纠错。

待手术时刻来临，正方形中央的三组数据量子比特被读取出来，此举有效地将表面码正方形一分为二。此外，X 型稳定器的读取操作也随即停止。

贝塞丁解释道：“这次操作的结果是，我们得到了两个相互纠缠的逻辑量子比特。”在操作过程中，比特翻转错误得到了纠正；操作结束后，比特翻转纠错功能仍可在这两个由此产生的部分上持续发挥作用。这一操作目前尚不能称为量子受控非门，但通过一系列这样的分割及合并操作，便可将其转变为量子受控非门。