9月19日，由Quantinuum公司人员组成的团队在量子隐形传态方面取得新突破。相关论文于9月19日以“High-fidelity teleportation of alogical qubit using transversal gates and lattice surgery”为题发表于Science上。
量子态传输常被用于大规模量子计算机的设计中。该团队使用Quantinuum的H2离子阱量子处理器，展示了针对量子纠错码（特别是Steane码）的容错态传输电路。这些电路在物理层面上使用了多达30个量子比特，并采用了实时的量子纠错技术。同时该团队在实验中研究了多种逻辑态传输电路的变体，使用了横向门操作和晶格手术两种方法。此外，该团队测量了逻辑过程的保真度，横向传输的保真度为0.975 ± 0.002，晶格手术传输的保真度为0.851 ± 0.009，此外，Knill风格的量子纠错实现的保真度为0.989 ± 0.002。
研究背景
量子计算中，量子态的远距离传输对于构建大规模量子计算机和量子网络至关重要。量子态传输允许量子比特在非局部几何结构中进行交互，而无需物理移动量子比特。
此次研究利用Quantinuum的H2离子阱量子处理器，展示了使用Steane码的量子错误校正（QEC）码的容错状态传输电路。实验中使用了多达30个物理量子比特，并实施了实时量子错误校正。
实验设计与方法
实验设计和方法部分详细描述了如何通过量子态传输实现量子信息的逻辑层面操作，具体分为物理层面实验、逻辑层面实验（横贯电路）和逻辑层面实验（晶格手术）。
物理层面实验：
在物理层面（不进行编码）上对量子态传输协议进行表征，以此作为性能比较的基准。
在Quantinuum的H2量子处理器的四个区域中，同时运行四个独立的量子态传输电路，共使用12个量子比特。
通过将一组信息完备的状态（包括单量子比特Pauli算子的六个本征态）输入到电路中，并测量输出状态的正确概率，来评估传输电路的性能。
计算平均状态保真度Fa和过程保真度Fp，其中Fp考虑到量子比特的维度为2。
测量物理层面量子态传输的过程保真度为0.9895 ± 3，表明传输具有很高的准确性。
观察到对于 -1 本征态的输出状态保真度低于 +1 本征态，这可能与物理层面在测量∣0⟩状态时的轻微偏差有关，即∣0⟩状态的保真度略高于∣1⟩状态。
图：量子传输协议的测量不保真度
逻辑层面实验：横贯电路
利用Quantinuum公司的H2离子阱量子处理器。
通过横贯CNOT门（受控非门）等操作，准备逻辑量子比特，并创建纠缠的Bell态。
使用Steane码进行量子编码，实现容错的量子计算。
引入“QEC装置”，专门用于收集错误综合症信息，实时确定并应用错误校正。
对比了包含和不包含QEC装置的两种横贯电路实验，分别称为“1QEC”和“0QEC”。
通过破坏性测量和实时解码，估计了两种实验的过程保真度，分析了QEC装置对提高传输保真度的贡献。
逻辑层面实验：晶格手术
除了横贯电路，实验还探索了晶格手术方法，这是一种利用二维最近邻相互作用的技术，非常适合固定的二维量子比特架构。通过合并编码块时测量联合逻辑Pauli算子来实现晶格手术。
使用Steane码晶格手术门集构建了等效的量子态传输电路，这些电路在结构上与横贯电路不同。
实验中，初始化所有三个逻辑量子比特，使用横向Hadamard门，并通过测量联合逻辑算子来准备Bell态。
通过实时解码和错误校正，使用Pauli框架跟踪逻辑量子比特的状态。
研究了一种使用两个逻辑量子比特而不是三个的简化晶格手术电路，这种电路在算法上等同于标准的量子态传输协议。
这种简化的电路减少了所需的资源，减少了综合症信息的收集和使用，并且使用了不同的资源状态。
实验结论与展望
实验结果显示，物理层面传输的过程保真度为0.9895 ± 3，而0QEC实验的过程保真度为0.989 ± 2，表明已经达到了一个重要的里程碑。研究还展示了使用晶格手术门集的逻辑状态传输和量子编码电路的灵活性。尽管这些结果是实验量子错误校正的最新进展，但为了展示量子错误校正所承诺的错误抑制效果，仍需要更多的工作。
未来的工作可能包括优化资源需求、比较不同的门集、实现实用的容错；与量子硬件的共同设计；以及定制量子错误校正协议以推进大规模量子计算的发展。这项工作为通过量子错误校正实现量子算法的容错实施奠定了基础，并为量子硬件的进一步优化和量子计算的扩展提供了实验依据。
通讯作者简介
这篇论文的作者为Ciaran Ryan-Anderson。
CiaranRyan-Anderson是Quantinuum的首席物理学家，专注于量子计算领域，致力于开发容错的大规模量子计算机及其应用。他曾在Quantinuum和霍尼韦尔担任高级物理学家，并在斯旺西大学从事博士后研究。他拥有新墨西哥大学的物理学博士学位，具有丰富的量子纠错、离子阱架构和量子计算理论研究经验。他的工作对推动量子硬件和软件开发具有重要意义。
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