清华大学交叉信息研究院孙麓岩研究组和段路明研究组与中国科学技术大学邹长铃研究组合作，在超导量子系统中实现了微波光子二项式量子纠错码，首次同时实现逻辑量子比特的量子纠错和通用量子门操控。该成果论文《Quantum error correction and universal gate set operation on a binomial bosonic logical qubit》（《基于二项式波色码的量子纠错和通用量子门操作》）近日在线发表于Nature Physics（《自然•物理》）杂志上。
众所周知，量子计算机具有在某些问题上（比如大数因子分解和无序数据库搜索）远超经典计算机的运算能力。然而，存储量子信息的物理系统不可避免会与环境相互作用，受到噪声的影响而失去量子特性。因此，一个实用的可容错量子计算机最终要求对量子纠错码（即逻辑量子比特）实现编解码和纠错，并在纠错保护下进行量子逻辑门操控，从而防止不必要的或不受控制的错误干扰，实现对量子信息的保护。量子纠错被公认为是实现可容错通用量子计算的核心问题，但是这方面的实验进展缓慢，因为其所需的量子实验技术具有非常大的挑战性。当前量子信息处理的一个迫切目标便是实现由量子纠错保护的逻辑量子比特，进而实现对单个逻辑量子比特的操作，并扩展到在多个逻辑量子比特上执行量子算法。
图1： 二项式量子纠错码示意图。
在一般的量子纠错方案中，每个逻辑量子比特由很多个物理比特组成，通过冗余的自由度实现纠错。然而，随着物理比特数目的增加而系统可能发生的错误通道也会增多，同时多物理比特编码的操作需要物理比特之间非局域的相互作用，因此实验上量子纠错和逻辑比特的量子门都很难实现。为了克服这些问题，孙麓岩研究组采用了一种基于单个微波谐振子的物理架构，首次在实验上证明了二项式量子纠错码和在纠错保护下的量子门操控。在该方案中，单个微波谐振子的无限大希尔伯特空间提供了有效的冗余自由度来实现量子信息编码，而错误通道的数目保持不变（主要为微波光子的丢失），因此对硬件的要求大大简化，具有非常强的可操作性。
孙麓岩研究组在实验中利用一个辅助超导量子比特与微波光场耦合，实现了基于微波光子数按二项式系数叠加的量子态的编码，通过量子反馈控制有效地对抗微波光子损耗。在实验中，该研究组发展了基于可编程逻辑门阵列的快速、实时量子反馈技术，同时利用接近量子极限的微波放大器实现了量子比特快速、高保真度读取。基于这两项技术，他们实现了对逻辑量子比特的连续量子纠错，将相干时间延长为没有量子纠错时的2.8倍；同时，实现了对单个逻辑比特高保真度通用量子门操作，平均门操作保真度为97.0%；此外，还首次实现了在量子纠错保护下的逻辑比特上的量子操作，演示了Ramsey干涉实验，将其相干时间提高了2倍。
图 2： 基于二项式编码的逻辑量子比特的通用量子门操控和量子纠错保护下Ramsey干涉。
该实验实现的二项式量子纠错码是近几年来在量子纠错方面的一个重要进展，是实现基于波色子编码的可容错量子计算非常重要的一步。该实验结果也为将来利用量子纠错在逻辑比特层面上进行量子精密测量等方面奠定了基础。
论文共同通讯作者为孙麓岩副教授和邹长铃副研究员。清华大学交叉信息研究院2013级直博生胡玲和2016级直博生马雨玮为文章共同一作，其他作者还包括蔡伟州、穆相豪、徐源、王韦婷、吴宇恺、王海艳、宋祎璞、Steven Girvin、段路明等。此项目得到了国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金等支持。
论文链接：Nat. Phys. s41567-018-0414-3 (2019)
