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World File Search System容错
7.4 容错计算 7.4.1 窃密代码或7量子比特……
到目前为止，我们已经介绍了规范化器 { ˆ XL , ˆ ZL , ˆ HL , ˆ SL , CNOT L } 的情况，即所谓的 Cli↵ord 群。值得注意的是，Gottesman-Knill 定理表明，仅使用该群元素执行的操作可以用经典方式模拟。因此，人们无法在量子上超越经典计算机。此外，Cli↵ord 群不是通用的，这意味着该群元素的组合不足以实现任意门。这本质上是 Solovay-Kitaev 定理的论证。需要扩展 Cli↵ord 群，添加至少一个不属于该群的额外门。这可以是 T 门或 To↵oli 门。
容错百万量子比特级分布式量子计算机
百万量子比特级量子计算机对于实现量子霸权至关重要。现代大型量子计算机集成了位于稀释制冷机 (DR) 中的多台量子计算机，以克服每个 DR 的不可扩展冷却预算。然而，大型多 DR 量子计算机带来了其独特的挑战（即缓慢且错误的 DR 间纠缠、量子比特规模增加），并且它们通过增加门操作的数量和 DR 间通信延迟来解码和纠正错误，从而使基线错误处理机制无效。如果不解决这些挑战，就不可能实现容错的大型多 DR 量子计算机。在本文中，我们提出了一种百万量子比特级分布式量子计算机，它使用一种新颖的错误处理机制来实现容错的多 DR 量子计算。首先，我们应用低开销的多 DR 错误综合征测量 (ESM) 序列来减少门操作的数量和错误率。其次，我们应用可扩展的多 DR 错误解码单元 (EDU) 架构来
具有代码级联的资源高效容错单向量子中继器
单向量子中继器通过量子纠错码抵消丢失和操作错误，可以确保量子网络中快速可靠的量子比特传输。至关重要的是，这种中继器的资源需求（例如，每个中继器节点的量子比特数和量子纠错操作的复杂性）必须保持在最低水平，以便在不久的将来实现。为此，我们提出了一种单向量子中继器，它使用代码连接以资源高效的方式针对通信信道中的丢失和操作错误率。具体来说，我们将树簇代码视为内部容错代码，与外部 5 量子比特代码连接，以防止泡利错误。采用基于标志的稳定器测量，我们表明，通过散布每个专门用于抑制丢失或操作错误的中继器节点，可以以最小的资源开销连接长达 10,000 公里的洲际距离。我们的工作证明了定制的纠错码如何显著降低长距离量子通信的实验要求。
具有硅色中心的可扩展容错量子技术
量子网络和量子计算技术目前面临的扩展障碍归根结底是同一个核心挑战，即大规模分布高质量纠缠。在本文中，我们提出了一种基于硅中光学活性自旋的新型量子信息处理架构，该架构为可扩展的容错量子计算和网络提供了一个综合的单一技术平台。该架构针对整体纠缠分布进行了优化，并利用硅中的色心自旋（T 中心）的可制造性、光子接口和高保真信息处理特性。硅纳米光子光路允许 T 中心之间建立光子链接，这些 T 中心通过高度连通的电信波段光子联网。这种高连接性解锁了低开销量子纠错码的使用，大大加快了模块化、可扩展的容错量子中继器和量子处理器的时间表。
分子可观测量的容错量子计算
在过去的三十年中，使用量子计算机估算分子哈密顿量的基态能量的成本已显著降低。然而，人们很少关注估算其他可观测量相对于所述基态的期望值，而这对于许多工业应用来说非常重要。在这项工作中，我们提出了一种新颖的期望值估计 (EVE) 量子算法，该算法可用于估算任意可观测量相对于系统任何本征态的期望值。具体来说，我们考虑了两种 EVE 变体：基于标准量子相位估计的 std-EVE 和利用量子信号处理 (QSP) 技术的 QSP-EVE。我们对这两种变体都进行了严格的误差分析，并最小化了 QSP-EVE 的单个相位因子数量。这些误差分析使我们能够在各种分子系统和可观测量中为 std-EVE 和 QSP-EVE 生成常数因子量子资源估计。对于所考虑的系统，我们表明 QSP-EVE 可将 (Toffoli) 门数减少多达三个数量级，并将量子位宽度减少多达 25%，而标准 EVE 则可实现。虽然估计的资源数量对于第一代容错量子计算机来说仍然太高（对于所考虑的示例，大约在 10 14 到 10 19 个 Toffoli 门之间），但我们的估计对于期望值估计和现代 QSP 技术的应用而言都是同类中的首例。
根据容错阈值对量子逻辑运算进行基准测试
当前用于对噪声量子处理器进行基准测试的方法通常测量平均错误率或过程保真度。然而，容错量子误差校正的阈值是以最坏情况错误率（通过钻石范数定义）表示的，这可能与平均错误率相差几个数量级。解决这种差异的一种方法是使用随机编译 (RC) 等技术对量子门的物理实现进行随机化。在这项工作中，我们使用门集断层扫描对一组双量子位逻辑门进行精确表征，以研究超导量子处理器上的 RC。我们发现，在 RC 下，门错误可以通过随机泡利噪声模型准确描述，而没有相干误差，并且空间相关的相干误差和非马尔可夫误差受到强烈抑制。我们进一步表明，对于随机编译的门，平均错误率和最坏情况错误率相等，并且测量到我们的门集的最大最坏情况误差为 0.0197(3)。我们的结果表明，当且仅当门是通过调整噪声的随机化方法实现的，随机化基准是验证量子处理器的错误率是否低于容错阈值以及限制近期算法的失败率的可行途径。
大规模容错通用光量子计算机的开发
1. 项目概要 各种物理系统的研究正在朝着实现实用量子计算机的方向发展。在大多数系统中，一个主要挑战在于实用量子计算所需的高度复杂的量子处理器。另一方面，光学系统可以用紧凑的量子处理器进行实用量子计算。由于这种量子处理器已经得到证实，开发的主要重点是光量子比特的生成。作为光量子比特源，我们提出了量子任意波形发生器 (Q-AWG)。Q-AWG 是一种多功能量子光源，可以输出任意量子态的光和任意脉冲波形。由于其高度的通用性，Q-AWG 可以作为实用光量子计算机的核心光源，并有可能解决在实现实用量子计算机的道路上出现的各种挑战。Q-AWG 确实是一个“终极量子光源”，它的实现将大大加速光量子计算机的发展。
利用光子互连离子阱实现容错量子计算
实现误差修正的逻辑量子比特及其之间的操作是进行有用量子计算的关键。离子振动模式系统是实现逻辑量子比特的良好候选。利用受激拉曼跃迁实现集体振动声子模式之间的分束器相互作用，从而实现声子模式之间的量子纠缠是实现逻辑量子比特之间操作的重要步骤。这种对多模式和压缩态的纠缠操作可用于生成连续变量簇态。此外，通过制备玻色子码作为离子振动态并利用上述分束器相互作用，可以实现跨多模式的门操作。
具有表面编码的容错量子网络
摘要 — 量子网络是在物理上分离的量子处理器之间传输以量子比特或量子位编码的信息的手段。鉴于量子位的不稳定性，这种网络的设计具有挑战性，需要在可靠性和效率之间取得谨慎的平衡。通常，量子网络分为两类：利用量子纠缠进行量子隐形传态的网络和直接传输量子信息的网络。在本文中，我们介绍了 SurfaceNet，这是第二类量子网络，它使用表面代码作为逻辑量子位来保存和传输信息。我们使用表面代码的方法可以容错地纠正网络内的操作和光子丢失错误。我们提出了一种新颖的单向量子通信程序，旨在更好地将表面代码集成到我们的网络架构中。我们还提出了一种高效的路由协议，可以优化通信过程的资源利用率。模拟结果表明，SurfaceNet 显著提高了整体通信保真度。
ERASER：面向容错量子计算的自适应泄漏抑制
量子纠错 (QEC) 代码可以通过使用冗余物理量子位编码容错逻辑量子位并使用奇偶校验检测错误来容忍硬件错误。当量子位离开其计算基础并进入更高能量状态时，量子系统中会发生泄漏错误。这些错误严重限制了 QEC 的性能，原因有两个。首先，它们会导致错误的奇偶校验，从而混淆对错误的准确检测。其次，泄漏会扩散到其他量子位，并随着时间的推移为更多错误创造途径。先前的研究通过使用修改 QEC 代码奇偶校验电路的泄漏减少电路 (LRC) 来容忍泄漏错误。不幸的是，在整个程序中始终天真地使用 LRC 并不是最优的，因为 LRC 会产生额外的两量子位操作，这些操作 (1) 促进泄漏传输，并且 (2) 成为新的错误源。理想情况下，只有在发生泄漏时才应使用 LRC，以便同时最小化泄漏和额外 LRC 操作产生的错误。然而，实时识别泄漏错误具有挑战性。为了能够稳健而高效地使用 LRC，我们提出了 ERASER，它推测可能已泄漏的量子比特子集，并且仅对这些量子比特使用 LRC。我们的研究表明，大多数泄漏错误通常会影响奇偶校验。我们利用这一见解，通过分析失败的奇偶校验中的模式来识别泄漏的量子比特。我们提出了 ERASER+M，它通过使用可以将量子比特分类为 | 0 ⟩ 、 | 1 ⟩ 和 | 𝐿 ⟩ 状态的量子比特测量协议更准确地检测泄漏来增强 ERASER。与始终使用 LRC 相比，ERASER 和 ERASER+M 分别将逻辑错误率提高了多达 4.3 × 和 23 ×。