在超导量子处理器上实现保真度超过蒸馏阈值的逻辑魔态真相究竟是什么？

量子计算机有可能在某些任务上优于传统计算机，包括复杂的优化问题。然而，量子计算机也容易受到噪声的影响，这可能导致计算错误。

工程师们一直在尝试设计容错量子计算方法，这些方法可以更耐噪，从而可以更稳健地扩大规模。实现容错的一种常见方法是准备魔法状态，这引入了所谓的非克利福德门。

中国科学技术大学、河南省量子信息与密码学重点实验室和合肥国家实验室的研究人员最近在超导量子处理器上展示了保真度超过蒸馏阈值的逻辑魔态的制备。他们的论文发布在《物理评论快报》上，概述了一种生成高保真逻辑魔态的可行且有效的策略，这是一种实现容错量子计算的方法。

“我们在量子纠错领域有一个长期计划，”该论文的合著者朱晓波教授告诉 Phys。“在我们之前完成关于重复纠错的距离-3曲面代码的工作之后，我们认为下一个重点是逻辑魔术状态的准备。

朱教授及其同事最近研究的最终目标是实现鲁棒、容错、通用的量子计算。逻辑魔态的准备是实现非克利福德逻辑门的关键步骤，这反过来又导致了容错量子计算的实现。

“简单来说，我们协议的基本思想是首先将要准备的状态注入到表面代码中的一个量子比特中，然后将状态信息'传播'到整个表面代码中，从而实现逻辑状态准备，”朱教授解释说。“在这个协议中，选择要准备的状态的注入位置和其他量子比特的初始化状态是很重要的。

该团队提出的协议概述了一种简单、实验上可行且可扩展的策略，用于在超导量子处理器中制备高保真原始魔态。作为他们最近研究的一部分，朱教授和他的同事们将该协议应用于Zuchongzhi 2.1，这是一个具有可调耦合设计的66量子比特量子教授。

朱教授说：“这种处理器的设计使我们能够操纵任何两个相邻量子比特之间的相互作用，确保我们的量子门具有足够的高保真度，尽管具有高度的并行性。“这种设计也有利于在一个处理器上扩展量子比特的规模。

当研究人员在Zuchongzhi 2.1处理器上实施他们的协议时，他们取得了非常有希望的结果。具体而言，他们无损制备了三种逻辑魔态，逻辑保真度分别为0.8771±0.0009、0.9090±0.0009和0.8890±0.0010，均高于状态蒸馏协议阈值，分别为H型魔态和T型魔态。

朱教授说：“我们成功地制备了一个保真度超过蒸馏阈值的距离三逻辑魔态，在基于表面代码的容错计算发展方面取得了一个关键的里程碑。“这一结果意味着我们可以将低保真度的魔态输入到魔态蒸馏回路中，经过多次蒸馏以获得足够高保真度的魔态，随后利用它们来构建容错的非克利福德逻辑门。

未来，朱教授及其同事开发的协议可以被其他研究团队使用，利用更广泛的超导量子处理器来实现高保真的原始逻辑魔态。最终，它可能有助于实现强大的容错量子计算，从而促进更大规模量子计算机的发展。

“在量子纠错领域，我们计划继续探索两个主要研究方向，”朱教授补充道。“首先，我们的目标是通过降低物理操作错误率和增加编码量子比特的数量来提高逻辑量子比特的性能，从而将逻辑错误率抑制到实际水平。其次，我们对纠错逻辑运算进行实验研究，以应用于未来的容错量子计算。