量子误差校正(QEC)对于实现可扩展的量子计算体系结构1的实现是必须的,超出了当前中等规模噪声设备的功能。2 - 6的确,由于量子计算机与环境噪声的不可避免的相互作用,叠加状态本质上是脆弱的且容易出错的。QEC算法基于将单个逻辑量子置于多个物理对象中的编码,从而使该平台的实现和控制非常苛刻。在这方面,分子纳米磁铁(MNM)是一种特别有吸引力的材料类。7 - 10每个分子可以容纳几个可区分的量子,并具有化学定制的磁相互作用11-16,并且可以显示出非常长的相干时间。17 - 27此外,它们可以通过射频26,28,29和电子顺磁共振(EPR)脉冲来表征和操纵,这些脉冲(EPR)脉冲解决了不同的过渡,即使在表面上的单个原子上也已经探究了30个。31这里,我们建议利用这些特殊性以嵌入受保护的逻辑单元
量子计算机有望解决使用常规方法[1]棘手的计算问题。对于容忍故障操作的量子计算机必须纠正由于不可避免的破坏和有限的控制精度而导致的错误[2]。在这里,我们使用表面代码证明了量子误差校正,该误差校正以其对误差极高的容忍度而闻名[3-6]。使用超导电路中的17个物理Qubits,我们用距离三个距离检测实验的距离三个逻辑量子量子进行编码量子信息[7-9]。在误差校正周期中仅占1。1 µ s,我们证明了逻辑量子量的四个基本状态。反复执行周期,我们使用误差模型方法中的最小重量匹配算法测量并解码比特和相挡误差综合症,并在后处理中应用更正。当拒绝检测到泄漏的实验运行时,我们发现每个周期的较低误差概率为3%。我们设备的测量特性与数值模型非常吻合。我们证明了重复,快速和高性能量子误差校正周期,以及离子陷阱的最新进展[10],支持我们的理解,即实际上可以实现耐断层量子计算。
最小化噪声的影响对于量子计算机至关重要。保护Qubits免受噪声的常规方法是通过量子误差校正。然而,对于所谓的嘈杂中间尺度量子(NISQ)时代中的当前量子硬件,这些系统中的噪声呈现出噪声,并且太高,无法进行误差校正以至于无法受益。量子误差缓解是一组替代方法,用于最大程度地减少误差,包括误差外推,概率误差cancella,测量误差缓解,子空间扩展,对称性验证,虚拟扭曲等。这些方法的要求通常比误差校正要小。量子误差缓解是减少NISQ量子计算机上误差的一种有希望的方法。本文对减轻量子错误的全面介绍。以一般形式涵盖和制定了最新的误差缓解方法,该方法提供了比较,结合和优化未来工作中不同方法的基础。
摘要 — 量子计算机能够比传统的经典计算机在更短的时间内完成大规模计算。由于量子计算机是在微观物理系统中实现的,因此由于环境之间的相互作用,量子态不可避免地会发生意外变化,从而导致计算错误。因此,需要量子误差校正来检测和纠正已发生的错误。在本文中,我们提出了用于量子误差校正的量子计算机架构,考虑到硅量子点量子计算机的组件在稀释制冷机内外分为多个温度层。控制量子位的模拟信号在稀释制冷机内的 4 K 台上精确生成,而实时数字处理在稀释制冷机外进行。然后,我们通过实验演示了用于量子误差校正的数字控制序列,并结合了在量子计算过程中模拟量子态的模拟器。包括确定前馈操作和传输前馈操作命令在内的实时处理由稀释制冷机外的 FPGA 在 0.01 毫秒内进行,以进行位翻转误差校正。与假设的弛豫时间相比,这是一个足够短的时间,而假设的弛豫时间是量子态可以保留的近似时间,这意味着我们提出的架构适用于量子误差校正。索引术语——量子计算机、量子计算、架构、量子误差校正、前馈
在本模块结束时,学生将能够: - 用严格的数学基础解释量子信息的理论和应用。 - 理解量子信息论的代数概念,包括量子算法、纠缠理论和量子误差校正。 - 区分和应用量子算法,包括周期查找、隐藏子群问题和量子傅里叶采样。 - 解释纠缠理论如何包括局部性和因果关系的概念、量子态的凸集以及通过局部操作对量子态的操纵。 - 应用量子误差校正,包括稳定器形式和基于测量的量子计算。
量子计算的可行性在很大程度上取决于找到有效的量子误差校正 (QEC) 方案。从理论角度来看,QEC 是量子阈值定理 [ABO97] 的核心,而在实践中,它通常会导致昂贵的开销。部分成本可以归因于需要进行频繁的测量以诊断系统是否出现错误。根据所考虑的架构,这些测量可能难以实现,特别是对于仅限于局部交互的系统。因此,可以访问的可观测量空间受到计算机所在空间的限制。这一观察结果引出了以下自然问题:几何和量子误差校正性能之间的权衡是什么?在空间体积中可以可靠地存储多少信息?在这项工作中,我们表明,当使用量子误差校正时,仅限于几何局部操作和经典计算的架构会产生开销。具体来说,当限制为任意二维局部操作和自由经典计算时,我们表明,操作保护 k 个逻辑量子位的量子代码直至目标误差 δ ,所需的物理量子位数 m 满足
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