科学家将四个逻辑量子比特纠缠在一起，简化纠错，同时提高准确性和可访问性

内部简讯

• Quantinuum 和科罗拉多大学的研究人员成功地将四个逻辑量子比特纠缠在一起，其保真度比物理量子比特更高。
• 这一进展表明，错误保护和操作可靠性得到了改善，这是开发实用且可扩展的量子计算机的重要步骤。
• 这一成就还表明 Quantinuum 致力于将先进的 H2 量子处理器与创新的纠错码相结合，使量子计算更加易于访问和可靠。

Quantinuum 和科罗拉多大学表示，他们首次将四个防错逻辑量子比特纠缠在一起，其保真度比物理量子比特更高。不过，这不仅仅是一项学术活动。他们在预印本服务器上发布的一篇论文中报告了这一结果 论文集 该系统将提高量子操作的准确性，从而增强错误保护和操作可靠性，这两者都是使量子计算机成为现实的关键步骤。

研究人员补充说，他们在 Quantinuum 的 H2 量子处理器上实现了纠错码——称为高速率非局部量子低密度奇偶校验 (qLDPC) 码。

量子纠错的挑战

研究团队表示，量子纠错是实现可靠实用的量子计算机的关键要素。量子系统天生就很脆弱，容易受到环境干扰和不完美操作造成的错误影响。

研究人员写道 一篇博客文章: “要使量子计算机发挥作用，它必须是通用的、拥有大量量子比特的，并且能够检测和纠正错误。纠错步骤必须做得非常好，以至于在最终计算中，你只能在不到十亿分之一（甚至可能是万亿分之一）的尝试中看到错误。在量子计算机上纠正错误非常棘手，而且大多数当前的纠错方案对于量子计算机来说运行起来都非常昂贵。”

为了减轻这些错误，必须将量子信息编码成几个纠缠的量子位，形成所谓的“逻辑量子位”。然而，这个过程传统上是资源密集型的，需要大量的物理量子位来编码单个逻辑量子位，导致编码率较低。

量子计算机要实现容错，最终计算的错误率必须非常低，理想情况下是十亿次甚至万亿次尝试中错误率不超过一次。目前的纠错方案在量子机器上实施成本通常很高，这对实现可扩展量子计算构成了重大障碍。

高速率代码

Quantinuum 和科罗拉多大学的研究人员并没有回避这个问题——他们通过在 H2 量子处理器上实现高速率非局部 qLDPC 码来正面解决这个问题。这种类型的代码虽然在理论上被认为是一种有前途的方法，但直到现在才在实践中实现。根据这篇文章，这种创新的代码允许每个物理量子比特的逻辑量子比特速率高得多，从而可以比传统代码更有效地扩展量子机。

在论文中，研究人员详细介绍了他们成功创建了四个防错逻辑量子比特，并将它们纠缠在格林伯格-霍恩-泽林格 (GHZ) 状态中。GHZ 状态是量子计算中的一个重要基准，通常用于测量量子操作的系统级保真度。纠错码提高了 GHZ 状态准备的保真度，取得了比单独对物理量子比特执行相同操作更好的结果。

实施结果表明，使用高速率 qLDPC 码编码的逻辑量子比特保真度达到 99.5% 至 99.7%，超过了未校正的物理量子比特的保真度（范围在 97.8% 至 98.7%）。研究人员表示，这是首次有人以比物理量子比特更高的保真度纠缠四个逻辑量子比特。

错误保护和错误纠正的联系

因为它们是相互联系的，但实际上并不相同，所以最好区分一下错误纠正和错误保护之间的区别。

错误保护 是一种降低量子系统中总体错误率的方法，使得纠错任务更易于管理。 纠错如上所述，有助于在长时间计算任务中维护量子信息的完整性，特别是当错误率无法仅通过保护机制完全消除时。

在 Quantinuum 和科罗拉多大学的研究背景下，研究人员实现了一种高速率非局部量子低密度奇偶校验 (qLDPC) 码，它主要是一种 纠错技术。该代码将逻辑量子比特编码为物理量子比特的纠缠态，以检测和纠正错误。然而，H2 量子处理器为支持此类代码而进行的设计和优化可以看作是 错误保护，因为它可以确保硬件能够有效地以最少的额外错误实现校正协议。

量子计算的影响

这种高速率非局部 qLDPC 码的成功对量子计算的未来具有重大意义。它提供了一个原理证明，即非局部码可以提高当代量子处理器的性能，为更高效、更可扩展的量子机器铺平了道路。

该代码的突出特点之一是它针对能够移动量子比特的架构进行了优化，例如 Quantinuum 的 H2 处理器。这种可重构性可以实现非局部门并简化关键操作，例如重新标记单个量子比特，这些操作可以以最少的错误完成。该代码的高编码率特别有利，因为这意味着逻辑量子比特的数量与物理量子比特的数量成正比，从而可以快速扩展量子系统。

再放大一点来看：结合 2024 年报告的其他几项 Quantinuum 进展，这表明该公司的研究计划投入了大量资金来利用量子计算堆栈的各个方面来开发能够解决现实问题的量子计算机。

量子程序员和可访问性

研究人员表示，如果只阅读论文，可能会错过这项研究的一个关键部分。这项研究的一个方面是，这项工作为让更广泛的研究人员和开发人员更容易获得量子计算提供了一条途径，降低了量子编程的门槛。

该团队在帖子中写道：“值得注意的是，这一非凡成就是由一支非常小的团队取得的，其中一半人不具备我们处理器底层物理的专业知识。我们的硬件和软件堆栈现在已经非常成熟，以至于不需要高级量子硬件知识的“量子程序员”就可以取得进展，他们可以在商业作业间隙在商用机器上运行他们的程序。”

根据 Quantinuum 的博客，这种级别的可访问性使其在可靠性和易用性方面领先于竞争对手。研究人员甚至可以在商业作业之间在商用量子机器上运行他们的程序，从而证明了其系统的实际可行性。

研究团队成员包括：物理系的洪一帆和 Andrew Lucas 科罗拉多大学量子物质理论中心、Boulder 以及 Elijah Durso-Sabina 和 David Hayes，均来自 Quantinuum。

深入了解该论文，了解更多技术细节 论文集 纸。

要了解有关 H2 系统的更多信息，请访问 Quantinuum 的产品页面。