量子纠错技术新突破:编码融合让光量子计算更接近现实
量子计算,这个听起来遥不可及的科技前沿,正在一步步走向现实。在众多竞争者中,光子系统因其独特优势成为领跑者之一。然而,光子的损耗问题一直是个棘手的难题。最近,科学家提出了一种新方法,有望大幅提高光学量子计算的容错能力,为实现实用化量子计算铺平道路。
光子系统的优势与挑战
光子系统之所以成为量子计算的热门选手,是因为它有许多过人之处:
- 高质量的光子源和探测器
- 高效的模块化和连接性
- 室温下较长的退相干时间
- 超快的测量速度
这些特点使得光子系统特别适合进行基于测量的量子计算。在这种计算模式中,我们只需要对预先准备好的纠缠态进行单量子比特测量,就能实现通用的量子门操作。
然而,光子系统也面临着严峻的挑战。首先,光子之间的融合(一种投影测量)是非确定性的,成功概率只有50%。其次,光子很容易发生损耗。这两个问题导致我们需要消耗大量的纠缠光子来准备容错架构所需的资源态。
FBQC:基于融合的量子计算
为了解决这个问题,研究人员此前提出了基于融合的量子计算(FBQC)方案。这种方法使用固定大小的资源态,通过融合操作将它们连接起来,形成特定的网络配置,称为融合网络。
FBQC的优点是不需要预先准备大规模的纠缠态,而是通过小规模资源态的融合来逐步构建量子错误纠正码。例如,我们可以通过FBQC来实现表面码,形成三维的Raussendorf-Harrington-Goyal(RHG)晶格。
然而,FBQC仍然面临着一个关键问题:融合操作的成功概率有限。虽然可以通过增加辅助纠缠光子来提高融合成功率,但这又会增加光子损耗的风险,最终反而降低了系统的容错能力。
EFBQC:编码融合带来的新突破
针对这一困境,韩国科学技术研究院(KIST)的研究团队提出了一种新方法:基于编码融合的量子计算(EFBQC)。这种方法的核心思想是将量子纠错编码应用到融合操作本身,以提高融合成功率并同时抑制光子损耗的影响。
具体来说,EFBQC使用了基于(n,m)广义Shor码或奇偶校验码的编码融合方案。这种方案可以通过线性光学元件和主动反馈来实现。数值模拟结果表明,与非编码融合方法相比,EFBQC可以实现高达10倍的光子损耗阈值提升。
EFBQC的工作原理
在EFBQC中,参与融合的光子被编码成量子纠错码。融合操作被替换为编码融合,它在逻辑上等同于对两个编码量子比特进行X1X2和Z1Z2测量。
编码融合的实现过程如下:
- 在每个编码块中,随机选择来自不同编码量子比特的光子对,进行Bell态测量(Bψ)。
- 根据Bψ的结果,对剩余的光子对进行另一种类型的Bell态测量(B+或B-)。
- 对n个编码块独立重复上述过程。
通过这种方式,EFBQC可以在存在光子损耗的情况下,仍然达到任意高的融合成功率,只需使用适度的编码参数(n,m)。
突破性成果
研究团队的数值模拟结果令人振奋。使用(2,2)编码的6环资源态,EFBQC实现了4.8%的光子损耗阈值,几乎是FBQC使用相同资源态时2.7%阈值的两倍。更令人惊喜的是,EFBQC实现这一成果时消耗的光子数更少,只需要两步线性光学过程。
随着编码参数的增加,EFBQC的性能还能进一步提升。例如,使用(7,4)编码和单步反馈,可以达到14%的创纪录高阈值。这意味着,即使在每个光子有14%的损耗概率的情况下,量子计算仍然可以可靠地进行。
展望未来
EFBQC的提出为光学量子计算开辟了一条新的道路。它展示了如何通过巧妙地结合两种量子纠错方案——一种用于融合操作,另一种用于网络配置——来显著提高系统的容错能力。
虽然当前的研究主要集中在RHG晶格和特定的资源态上,但EFBQC的思想可以推广到各种架构和资源态。这为未来光学量子计算的发展提供了广阔的可能性。
随着这项技术的进一步发展和优化,我们离实用化的容错量子计算又近了一步。也许在不久的将来,我们就能看到基于光子的量子计算机在科学研究、药物开发、金融分析等领域发挥重要作用,为人类社会带来革命性的变革。
