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一作、悉尼大學本科生 Pablo Bonilla Ataides（左）；通訊作者、悉尼大學博士生 Benjamin J. Brown（右）

在量子計算領域，利用量子計算機執行大規模計算可能需要基于量子糾錯碼的容錯架構，其中面臨的挑戰在于設計一種使用適度資源即可有效對抗實際噪聲的實用量子糾錯碼。

兩年前，在一次物理作業中，悉尼大學的一名大二本科生 Pablo Bonilla「一不小心」取得了該領域的重要突破。他所在的研究團隊對一些常用的量子糾錯碼進行了簡單但優雅的更改，將它們的糾錯能力提升了一倍，從而縮短了實現可擴展量子計算的進程。在此之前，這種常用的糾錯碼已經被研究了近 20 年。

隨后，他們在 arXiv 上公布了一篇名為《The XZZX surface code》的論文，詳細介紹了所提出的「XZZX」計算碼。

近日，這項研究又登上了《自然 - 通訊》雜志，更引起了 AWS 帕薩迪納量子計算中心以及耶魯大學和杜克大學量子研究項目組的注意。這些機構還打算使用他的計算碼。

AWS 高級量子研究科學家 Earl Campbell 表示，「在量子計算領域取得任何真正、實際的效益之前，我們有大量的工作要做。但是，Bonilla 等人的這項研究令我驚訝，我沒想到量子糾錯碼的微小變化會對預測性能產生這么大的影響。」AWS 量子計算中心團隊還期待與 Bonilla 等人進一步合作，探索其他有前景的替代方案，進而使得新的、更強大的計算技術更加接近現實。

此外，悉尼大學理論物理學教授 Stephen Bartlett 進一步追問了該研究，「這些就是量子計算機容錯的最高閾值嗎？是否仍然有超越哈希的空間呢？」

量子糾錯

經典計算機利用晶體管（可以理解為「開關」）運行我們的手機、筆記本等各種設備，出錯的概率非常小。但是，量子計算機中的「開關」（即量子比特）對外部環境的干擾（噪聲）卻非常敏感。

為了讓量子計算機平穩運行，研究者需要制造出大量高質量的量子比特。具體實現方法包括：改進機器，減少噪聲，或利用機器的某種能力將量子比特錯誤抑制在某一閾值以下。

這就是量子糾錯（quantum error correction）的作用所在。

量子錯誤的發生分為幾種情況：其中一種叫做 X-error，發生在量子比特圍繞自己的軸翻轉的時候；還有一種叫做 Z-error，屬于相位翻轉錯誤；二者結合便產生了 Y-error。

杜克大學量子糾錯專家 Kenneth Brown 介紹說，「在量子糾錯中，我們通常假設 X-、Y-、Z-error 是等可能的。然而，真實的實驗結果卻并非如此。」

Bonilla 所做的工作就是在每一秒都重新調整糾錯碼的一部分。這種碼被稱為 surface code，可以在已經連通的量子比特的二維網絡中工作。

量子棋盤

為了便于理解，我們可以把 surface code 想象成一個 國際象棋棋盤。在其最初的設計中，黑色方塊用于檢測 Z-error，白色方塊用于檢測 X-error。但是，相比之下，Z-error 要更加普遍。因此，用那么多的方塊去檢測不那么常見的 X-error 顯得非常浪費。

Bonilla 設計的計算碼打破了這種設計，將一半的量子開關進行了翻轉，使每一個方塊都能用于檢測兩種錯誤。這種計算碼被稱為「XZZX」碼，顯示了對 surface code 的重新設計。

XZZX surface code 示意圖。

「XZZX」計算碼的容錯閾值。

Brown 教授表示，「XZZX 碼非常了不起，因為它通過簡單的局部變換就能為所有 X、Z 錯誤不均的情況提供最佳解決方案。」

耶魯大學量子研究項目助理教授 Shruti Puri 表示，她的團隊對在工作中使用新計算碼很感興趣。

「這種計算碼的優雅讓人眼前一亮。它的卓越糾錯特性來自于對原碼的簡單修改，而后者我們已經研究了近 20 年。」Puri 說道，「這與耶魯和其他機構正在開發的新一代量子技術極為相關。我相信，有了這套計算碼，我們可以大大縮短實現可擴展量子計算的時間線。」

該研究的合著者、物理學院的 David Tuckett 博士表示，「這有點像和量子對手玩海戰棋。從理論上來說，他們可以把船放在棋盤的任何地方。但在玩了數百萬場后，我們已經掌握了他們的一些布局規律。」「從實驗中我們知道，Z-error 要比 X-error 常見得多。根據這一特性，Pablo 重新設計了 surface code，大大提高了其抑制錯誤的能力。」

實用價值

該研究的合著者、悉尼大學理學院研究副院長 Stephen Bartlett 表示，「這一設計的偉大之處在于，我們可以有效地對其進行改進，以適應整個行業正在開發的 surface code」。

「對于一個長期從事 2D 芯片設計的行業來說，讓新計算碼在一個二維表面上工作有著非常理想的應用價值。」

文章的另一位合著者、悉尼大學納米研究所和物理學院博士 Ben Brown 表示，「建造一臺實用的量子計算機有點像萊特兄弟要造飛機，我們現在甚至還沒離開過地面。」

「實驗人員正在生產用來造飛機的堅固、輕便材料，而我們剛剛為機翼貢獻了一個更符合空氣動力學的設計，它有更大的升力。我們的設計可能會幫助大規模量子計算起飛。」