量子容错电路大幅降低资源开销

量子计算作为新兴技术，有望以指数级速度解决经典计算机难以处理的问题。量子计算涉及称为量子门的基本操作，这些操作在量子比特（qubits）之间建立连接。当前量子比特噪声水平较高，难以可靠执行解决实际问题所需的长量子算法。量子纠错可以补偿噪声，但开销巨大：现有方案中，单个逻辑量子比特可能需要数千个物理量子比特进行纠错。

在《npj Quantum Information》期刊发表的论文中，研究团队提出了一种新型低开销容错T量子门实现方案。该方案将T量子门的实现开销（包括量子比特数量和操作次数）降低至少一个数量级，且符合主流量子计算架构的硬件约束。

技术核心突破

量子门集与T门重要性

任何量子算法均可分解为通用量子门集中的门操作序列。仅需三种基本量子门（Hadamard门、受控非门和T门）即可合成任何量子操作。其中T门是唯一的非克利福德门，而所有实用量子算法都需要大量T门。在多数架构中，逻辑T门的纠错开销占总资源开销的主要部分。

冗余辅助量子位编码

传统方案采用"自上而下"的魔术态蒸馏方法（由加州理工学院专家首创），通过克利福德操作产生高保真魔术态来实现非克利福德门。但逻辑级克利福德操作本身需要纠错，且需多次重复才能达到所需保真度。

新方案采用"自下而上"的容错方法直接制备魔术态：

• 通过冗余辅助编码技术，使同一组辅助量子位在量子操作不同阶段承担不同功能
• 部分阶段用于错误检测，部分阶段转换为标志量子位（flag qubits）以检测小错误扩散为不可纠正大错误的情况
• 减少辅助量子位使用量的同时保持最近邻量子位连接约束
• 仅需物理级克利福德操作即可制备目标保真度的魔术态，无需传统方案中的逻辑级实现

技术实现优势

该方案通过物理级操作替代逻辑级操作，使T门实现效率提升至少一个数量级。虽然大规模全容错量子计算机尚未实现，但该技术使得在近期实现非克利福德门的容错实施更具可行性，特别是在允许使用较低保真度物理级操作且满足硬件约束的场景下。

左：基于颜色码的全局Hadamard测量电路图，使用CNOT门（带十字圆形）、受控Hadamard门（带H圆形）及量子比特初始化/测量操作，数字表示操作时间步序。右：电路组件（蓝色六边形）放大图，展示通过交换标志量子位与辅助量子位实现全局Hadamard测量和错误检测的统一架构。