开发可扩展量子系统的关键挑战之一是在执行操作和测量时纠正累积的错误。众所周知，可以检测到主要错误并将其转换为擦除的系统对量子纠错的要求很宽松。最近，有人提出，这可以通过在两个超导腔的微波光子态中使用量子信息双轨编码来实现。实现这种擦除量子比特的必要步骤之一是演示测量并将错误标记为擦除。
7月1日，Quantum Circuits公司、耶鲁大学、美国国家标准技术局的研究人员在《Nature Physics》期刊发表题为“A superconducting dual-rail cavity qubit with erasure-detected logical measurements”（具有擦除检测逻辑测量的超导双轨腔量子比特）的研究论文，Quantum Circuits公司量子工程师Kevin S. Chou为论文第一兼通讯作者，Quantum Circuits公司共同创始人兼首席科学家、耶鲁大学教授Robert J. Schoelkopf为论文共同通讯作者。
在这项工作中，研究人员演示了集成擦除检测的双轨腔量子比特（dual-rail cavity qubit）的投影逻辑测量，并测量了量子比特空闲错误。在0.01%的水平上测量逻辑态制备与测量错误，并将超过99%的腔衰减事件检测为擦除。使用此测量协议的精度来区分此系统中不同类型的错误，发现虽然衰减错误发生的概率约为每微秒0.2%，但相位错误发生的频率要低6倍，比特翻转发生的频率要低至少150倍。这些发现证实了将双轨腔量子比特连接成高效擦除码所必需的预期错误水平。
论文的理论基础主要围绕量子纠错中的擦除错误处理展开。双轨编码（dual-rail encoding）是一种将量子信息存储在两个超导腔中的技术，这种方法能够有效地检测并标记擦除错误，从而简化量子纠错的实现。在这篇论文中，研究团队提出并验证了一种集成擦除检测的逻辑测量方法，这种方法能够识别并忽略大多数硬件错误，从而提高测量精度。
为了验证理论的有效性，实验设计了多组对比实验，分别测量了量子比特在不同操作下的错误率和擦除事件的检测率。通过这些实验，研究团队不仅验证了理论模型的准确性，还展示了双轨腔量子比特在实际操作中的优越性能。
在实验结果部分，论文展示了多项重要的发现。首先，研究团队通过实验测量了逻辑态制备与测量的错误率，这一错误率低至0.01%。此结果表明，通过集成擦除检测的逻辑测量方法，量子计算的精度得到了显著提高。此外，实验还检测到超过99%的腔衰减事件为擦除事件。这一高检测率进一步验证了擦除检测方法的有效性和可靠性。
在对不同类型错误的分析中，研究团队发现衰减错误的发生概率约为每微秒0.2%，而相位错误的发生频率则低6倍，比特翻转错误的发生频率更是低至150倍。这一错误水平的发现为未来设计更高效的擦除码提供了重要依据。研究团队指出，这些结果不仅确认了理论预期的错误水平，还展示了双轨腔量子比特在集成擦除检测后，作为高效擦除码的潜力。
总的来说，这篇论文通过详细的理论分析和实验验证，展示了双轨腔量子比特及其擦除检测逻辑测量方法的优越性能。研究结果不仅为量子计算的纠错提供了新思路，也为未来构建更大规模、更高可靠性的量子计算系统奠定了基础。这篇论文的工作不仅在学术研究中具有重要意义，对于实际应用中提高量子计算机的可靠性和效率也具有重要的参考价值。
图1：双轨腔量子比特的概念、实现和测量。
图2：双轨量子比特的态制备与测量。
图3：双轨比特翻转错误测量。
图4：双轨相位翻转错误测量。
参考链接
https://www.nature.com/articles/s41567-024-02539-4