容错量子计算新协议，高效降低资源成本

量子计算机是一类利用量子力学效应处理信息的系统，有望在部分复杂计算问题上超越传统计算机。量子计算机的运行依托于量子比特，量子比特作为量子信息的基本单位，能够通过 “量子纠缠” 的量子力学效应实现量子态的相互关联。

量子比特极易受到周围环境中噪声的干扰，噪声会破坏量子比特的量子态，进而引发计算错误。因此，量子工程师们一直致力于研发有效的策略，以实现容错量子计算。换言之，就是修正量子计算机在处理信息过程中出现的各类错误。

现有的解决方案主要分为两类，一类是减少每个逻辑量子比特所需的物理量子比特数量（即降低空间开销），另一类是减少执行单次逻辑操作所需的物理操作次数（即降低时间开销）。而要同时高效达成这两个目标，从而构建具备更高可扩展性且运算速度更快的系统，迄今为止被证明是一项颇具挑战性的任务。

近日，东京大学与Nanofiber Quantum公司的研究人员在发表于《自然・物理学》期刊的一篇论文中，提出了一种全新协议，该协议能够同时攻克空间开销与时间开销两大难题，助力实现容错量子计算。这项新协议整合了两种不同类型的量子纠错编码，分别是QLDPC与级联斯蒂恩码。

该论文第一作者Shiro Tamiya在接受采访时表示：“我们这项研究的灵感源于容错量子计算领域一个根本性的两难困境，也就是硬件规模与运算速度之间的矛盾。从技术层面来讲，这一矛盾对应的就是空间开销（每个逻辑量子比特对应的物理量子比特数量）与时间开销（每次逻辑操作对应的物理操作次数）之间的此消彼长。”

破解空间与时间开销的权衡难题

通常而言，实现容错量子计算的各类协议，要么能提升运算速度，要么能优化硬件的规模利用效率，但对其中一项性能的优化往往会对另一项性能产生不利影响。

以表面码为基础的传统协议，能够实现较快的运算速度，同时达成中等水平的硬件扩展效率。与之相对，现有依托于高速率QLDPC的协议，虽然有助于压缩硬件规模，却会导致运算速度大幅下降。

Shiro Tamiya表示：“此前团队成员提出了一种基于级联量子汉明码的方案，该方案在维持硬件规模压缩（即恒定空间开销）的同时提升了运算速度，但性能仍未完全达到传统方案的水准。我们的研究目标就是彻底解决这一困境。”

Shiro Tamiya及其研究团队最终证实，在维持硬件规模压缩的同时提升系统运算速度是完全可以实现的。为达成这一目标，他们研发出一种全新的 “混合” 协议，将两种成熟的量子编码整合在了一起。

Shiro Tamiya解释道：“我们选用QLDPC来高效存储量子信息，原因在于这类编码所需的物理量子比特数量极少。然而，受限于其复杂的结构，在QLDPC上执行逻辑操作通常难度较高。与之相反，级联码具备简洁的嵌套结构，能够实现快速运算。因此，我们借助级联码快速生成辅助量子态，为在QLDPC上执行逻辑操作提供支持。”

该研究团队提出的方案，实际上是为两种不同类型的纠错编码赋予了各自不同的功能定位：QLDPC负责高效存储量子比特，而级联码则负责执行具体的运算任务。

混合式的解决方案

在初步测试中，研究人员研发的这项新协议被证实能够有效减少运算所需的量子比特数量，同时最大化提升系统的信息运算速度。

Shiro Tamiya表示：“从基础研究的角度来看，我们的研究解决了容错量子计算领域一个长期悬而未决的难题，即空间 - 时间权衡问题。此前的研究似乎表明，要降低空间开销，就必须在时间开销上做出巨大牺牲。而我们的研究证实，这一壁垒是可以被打破的，由此建立了一种全新的理论认知，空间开销与时间开销的双重降低是能够同时实现的。”

除此之外，该研究团队还推导了这一协议的阈值定理。这一定理从数学层面证明，当噪声水平低于某一临界值时，系统将能够实现稳定可靠的运算。

Shiro Tamiya解释说：“为了证明这一定理，我们引入了一种名为‘部分电路约简’的全新分析技术，构建出一套统一的框架来分析我们提出的协议。该协议整合了QLDPC与级联码这两种纠错机制截然不同的编码类型。此外，在容错量子计算中，实时运行量子纠错解码器所需的计算成本，是制约技术发展的一大瓶颈。”

为量子技术发展奠定基础

Shiro Tamiya及其团队的这项最新研究成果，有望为其他混合式纠错方案的研发提供参考，从而进一步提升量子计算机的整体性能与运行效率。该团队已通过理论分析证实了这一新协议的潜力，并计划在未来开展进一步的验证工作。

Shiro Tamiya表示：“以往的理论研究往往会假设解码过程是瞬时完成的，而我们的论证则明确考虑了经典解码过程所需的有限时间成本，以及解码过程中产生的累积误差。通过证实，即便在这些贴合实际的约束条件下，容错性依然能够得到保障，我们为构建实用化、大规模量子计算机奠定了坚实的理论基础。”

研究人员目前计划继续完善这一协议，并在后续测试中评估其应用潜力。未来，该协议有望被应用于实际的量子计算系统，并在真实场景中接受检验。

Shiro Tamiya补充道：“在量子计算机研发的赛道上，超导量子比特长期以来都是研究的核心焦点。不过，如今中性原子与离子阱等技术平台也开始吸引大量关注，因为这些平台具备全连接特性，这一特性使得我们提出的这类低开销容错协议的落地实施变得更加可行。这些技术平台也存在着独特的物理约束，例如原子移动方式的限制以及移动过程所需的时间限制。未来研究的一个重要方向，就是弥合理论与实验之间的差距，明确在这些极具前景的硬件平台上实现协议所需的具体条件。”