量子容错阈值的光学演示

针对量子电路中的每一个步骤可能出现的实验误差的处理非常重要，特别是在量子计算的实现中。一般来说，量子纠错需要更多的量子比特来完成纠错操作。

然而，容错方法提供了另一种处理错误的方法，通过从编码空间中排除有错误的量子位，可以使用多个物理量子位对逻辑量子位进行编码，并且物理空间中的错误是允许的，并不期望被纠正。

更准确地说，在相同的硬件基础上，当错误率低于阈值时，容错编码电路中的逻辑量子比特输出概率比在非编码电路中更高。更重要的是，容错电路可以在一个由几个量子比特组成的小系统中得到验证。当比较编码电路和非编码电路的输出概率时，可以确定支持容错方法成功的阈值显式证据。

由中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室李传峰教授领导的一组科学家在《Light Science & Application》上发表的一篇新论文中，利用两个纠缠光子的空间模式构建了一个实验平台，并直接观察了所研究量子电路的容错阈值。

图1，a：利用两个纠缠光子的空间模式实现物理量子比特的原理。 每个光子上的实验模式如图b 所示。 单量子比特Hadamard门逻辑操作的容错电路的实验结果如c所示，d中显示了考虑以下两个量子比特控制非门的逻辑运算的结果。Fp 和 fp 分别表示编码电路和非编码电路的成功输出概率。通过Fp > fp 验证了容错方式。 来源：Kai Sun等人。

物理量子位由每个光子的空间模式的重合计数表示，通过对物理量子位的相应操作对两个逻辑量子位进行编码和操作。以极高的精度人工输入错误率，我们可以扫描覆盖阈值的错误率范围。当编码电路的成功输出概率高于非编码电路的成功输出概率时，我们可以确定阈值的准确值，这得到了逻辑空间中单量子位和双量子位运算等强大结果的支持。

这项工作除了促进可扩展系统中容错量子计算的研究外，还有助于其他量子信息任务，例如纠缠净化和长距离量子通信。

通过观察错误率阈值，可以了解容错协议的详细框架，判断容错是否成功。科学家总结光学平台的性能：

“我们基于两个光子的空间模式构建了该装置，该装置具有以下优点：（1）高精度操作，这是容错电路的严格要求；（2）易于引入人为误差并调整其速率；（3）呈现容错过程中每一步的直线模式；（4）易于实现编码电路和非编码电路的容错。”

科学家们说，“除了这项工作中考虑的错误类型外，还可以基于该实验平台研究通用容错协议中的其他错误模型。例如，通过将本工作中基于光学空间模式的实验平台从单光子框架扩展到双纠缠光子框架，可以进一步研究故障中的非局部错误影响。