全文 - Quantum error correction below the surface code threshold

低于表面码阈值的量子纠错谷歌量子人工智能团队及合作者2024 年 8 月 24 日摘要量子纠错 [1,2,3,4] 通过将多个物理量子比特整合为一个逻辑量子比特为实现实用化量子计算提供了路径随着量子比特数量的增加逻辑错误率会呈指数级被抑制。然而这种指数级抑制仅在物理错误率低于临界阈值时才会发生。在本研究中我们实现了两种运行在该阈值以下的表面码量子存储器一种是距离为 7 的码另一种是集成了实时解码器的距离为 5 的码。当码距增加 2 时我们所构建的大型量子存储器的逻辑错误率被抑制了因子 Λ2.14±0.02最终实现了 101 个物理量子比特的距离 7 码其每个纠错周期的错误率为 0.143%±0.003%。该逻辑存储器还实现了盈亏平衡突破其寿命是最优物理量子比特寿命的 2.4±0.3 倍。我们在实时解码的情况下仍保持了低于阈值的性能在码距为 5、周期为 1.1 微秒的条件下实现了平均 63 微秒的解码器延迟且解码周期数高达百万次。为探究纠错性能的极限我们运行了距离至 29 的重复码实验发现逻辑性能受限于罕见的关联错误事件这类事件大约每小时发生一次即 3×10⁹个周期。我们的研究成果展示了器件性能若进行规模化扩展有望满足大规模容错量子算法的运行要求。预印本编号APS/123-QED一、引言量子计算有望在量子化学 [5]、量子模拟 [6]、密码学 [7] 和优化问题 [8] 等领域实现计算加速。然而量子信息具有脆弱性量子操作也易产生错误。当前最先进的多量子比特平台才刚刚实现 99.9% 保真度的纠缠门 [9,10]远低于许多应用所需的低于 10⁻¹⁰的错误率 [11,12]。量子纠错的核心思想是通过将量子信息分布在多个纠缠的物理量子比特上以抵御错误从而实现高保真度的逻辑量子比特。若物理操作的噪声低于临界阈值随着每个逻辑量子比特所使用的物理量子比特数量增加逻辑错误率应呈指数级被抑制。这种特性可由近似关系式表示εd​∝(pthr​p​)(d1)/2该式适用于经纠错的表面码逻辑量子比特 [4,3,13]。其中d为码距表示每个逻辑量子比特使用2d2−1个物理量子比特p和εd​分别为物理错误率和逻辑错误率pthr​为该码的阈值错误率。因此当p≪pthr​时逻辑量子比特的错误率随码距呈指数级被抑制错误抑制因子Λεd​/εd2​≈pthr​/p表示码距增加 2 时逻辑错误率的降低幅度。尽管多个平台已展示了量子纠错的不同特性 [14,15,16,17,18,19,20]但尚无量子处理器明确实现低于阈值的性能。尽管实现低于阈值的物理错误率本身是一项艰巨的挑战容错量子计算还提出了超出原始性能的要求包括在量子算法所需的数小时时间尺度上保持稳定性 [21]以及主动消除泄漏等关联错误源 [22]。此外容错量子计算对经典协处理器也提出了要求量子器件产生的校验子信息必须在生成时被快速解码 [23]。超导量子比特的快速操作时间数十至数百纳秒在速度上具有优势但同时也对快速且精准的错误解码提出了挑战。在本研究中我们在两台超导处理器上实现了运行在阈值以下的表面码。使用 72 量子比特处理器我们实现了集成实时解码器的距离 5 表面码此外使用性能相近的 105 量子比特处理器我们实现了距离 7 表面码。这些处理器分别在码距 5 和码距 7 时实现了Λ2。我们的距离 5 量子存储器实现了盈亏平衡突破距离 7 码的量子信息保存时间是其最优物理量子比特的两倍以上。为识别潜在的逻辑错误平台期我们还在 72 量子比特处理器上运行了高码距重复码其错误率由每小时发生一次的关联错误事件主导。这类错误的成因尚未明确构成了当前 10⁻¹⁰量级的错误平台期。最后我们证明即使在实时解码的情况下72 量子比特处理器仍能保持低于阈值的运行状态满足处理器 1.1 微秒快速周期所施加的严格时序要求。二、低于阈值的表面码量子存储器图 1表面码性能。a. 105 量子比特处理器上距离 7 表面码的示意图。每个测量量子比特蓝色对应一个稳定子蓝色色块。红色轮廓用于对比的 9 个距离 3 码中的一个3×3 阵列橙色轮廓用于对比的 4 个距离 5 码中的一个4 个角落黑色轮廓距离 7 码。我们通过下方相邻量子比特移除每个数据量子比特金色的泄漏边界处使用额外的泄漏移除量子比特绿色。b. 105 量子比特处理器上测量的错误概率累积分布。红色单量子比特门的泡利错误黑色CZ 门的泡利错误蓝色测量的平均识别错误金色数据量子比特在测量和重置期间闲置时的泡利错误蓝绿色权重为 4 的探测概率距离 7 码250 个周期平均。c. 不同存储器实验持续时间下的逻辑错误概率pL​。每个数据点代表 105 次重复实验经神经网络解码后对逻辑基XL​和ZL​取平均。黑色和灰色文献 [17] 中的数据用于对比。曲线对码和基取平均后的指数拟合。为计算εd​值我们分别对每个码和基进行单独拟合 [24]。d. 逻辑每周期错误率εd​随表面码码距d的降低。每个点的不确定度小于 5×10⁻⁵。符号与 c 图一致。d3和d5的均值由各码和基的单独εd​拟合计算得出。直线对公式 1 的拟合用于确定Λ。插图模拟至d11的结果与实验点对比均采用集成匹配合成解码以作对照。直线对模拟结果的拟合Λsim​2.25±0.02。我们首先展示图 1a 中 105 量子比特处理器的实验结果。该处理器采用超导 transmon 量子比特的方形网格架构 [25]与此前报道的处理器相比操作保真度有所提升 [26,17]。量子比特的平均工作T1​时间为 68 微秒T2,CPMG​时间为 89 微秒这得益于改进的制备工艺、参与率工程设计和电路参数优化。相干时间的延长提升了所有操作的保真度如图 1b 所示。我们还对解码算法进行了多项改进采用了两种离线高精度解码器一种是神经网络解码器 [27]另一种是关联最小权重完美匹配解码器 [29] 的集成集成体 [28]并结合了匹配合成技术 [30]。这些解码器运行在不同的经典硬件上为高精度实时解码提供了两种潜在路径。为适配器件噪声我们使用处理器数据对神经网络进行微调 [27]并对匹配图的权重采用强化学习优化 [31]。我们按照文献 [17] 的方法运行了包含 49 个数据量子比特、48 个测量量子比特和 4 个额外泄漏移除量子比特的距离 7 表面码量子存储器。简言之我们先将数据量子比特制备为ZXXZ表面码 [32] 的XL​或ZL​基的直积态启动表面码运行随后重复可变数量的纠错周期测量量子比特从数据量子比特中提取奇偶校验信息并发送至解码器每次校验子提取后我们执行数据量子比特泄漏移除DQLR[33]确保激发到高能级的泄漏是短暂的最后通过测量单个数据量子比特确定逻辑量子比特的状态检验解码器校正后的逻辑测量结果是否与初始逻辑态一致。基于表面码数据我们利用整体错误探测概率 [34] 表征处理器的物理错误率即权重为 4 的稳定子测量对比中探测到错误的比例。对于码距d(3,5,7)表面码的探测概率分别为pdet​(7.7%,8.5%,8.7%)。我们将探测概率随码尺寸的增加归因于有限尺寸效应 [24] 和量子比特间的寄生耦合预计这两种效应在更大的处理器尺寸下会趋于饱和 [35]。我们通过拟合最多 250 个周期的逻辑每周期错误率εd​对X和Z基取平均来表征表面码的逻辑性能。我们对 9 个不同的距离 3 子网格和 4 个不同的距离 5 子网格的性能取平均以与距离 7 码对比。最后我们通过对ln(εd​)与d进行线性回归计算错误抑制因子Λ。使用神经网络解码器时我们观测到Λ2.14±0.02ε7​(1.43±0.03)×10−3见图 1c-d使用集成匹配合成解码时观测到Λ2.04±0.02ε7​(1.71±0.03)×10−3。此外我们基于图 1b 中测量的各组分错误率构建噪声模型同时纳入泄漏和量子比特间的杂散相互作用 [17,24]模拟了更高码距的逻辑量子比特。图 1d 的插图中展示了模拟结果与实验数据的对比均采用集成匹配合成解码。我们观测到模拟与实验结果基本一致且错误得到了显著抑制证实表面码运行在阈值以下。目前我们重点关注错误抑制因子Λ因为低于阈值的性能保证了通过构建足够大的逻辑量子比特能够超越物理量子比特的寿命和操作保真度。事实上我们的距离 7 逻辑量子比特的寿命已超过其组成物理量子比特的两倍以上。由于逻辑量子比特与物理量子比特的噪声过程不同二者的对比具有一定复杂性我们在图 1c 中绘制了逻辑错误率与X、Z基初始化下平均物理量子比特错误率的直接对比。为量化量子比特寿命本身我们采用文献 [16,24] 提出的度量标准对纯态取平均。距离 7 逻辑量子比特的寿命为 291±6 微秒超过所有组成物理量子比特的寿命中位值 85±7 微秒最优值 119±13 微秒提升因子为 2.4±0.3。我们的逻辑存储器实现盈亏平衡突破将此前基于玻色子码的研究结果 [36,37,16] 拓展至多量子比特码是实现逻辑运算盈亏平衡的关键一步。三、逻辑错误敏感性借助低于阈值的逻辑量子比特我们可以探究该状态下逻辑错误对各类错误机制的敏感性。首先测试逻辑错误随物理错误和码距的变化规律。如图 2a 所示我们在数据量子比特和测量量子比特上注入不同强度的相干错误并从每次注入实验中提取两个量一是以探测概率作为总物理错误率的代理指标二是通过测量 10 个周期的逻辑错误概率使用关联匹配解码 [29] 推断逻辑每周期错误率。图 2b 中我们绘制了距离 3、5、7 码的逻辑每周期错误率与探测概率的关系。发现三条曲线在探测概率约 20% 处相交这与文献 [17] 研究的交叉区域基本一致。插图进一步表明探测概率可作为1/Λ的良好代理指标。对交叉点以下的幂律拟合发现其值约为公式 1 预测的理想值(d1)/2的 80%。我们推测该偏差由器件中的额外关联效应导致。尽管如此更高码距的逻辑错误降低更快在量子处理器上原位展现出典型的阈值特性。图 2表面码中的错误敏感性a. 表面码电路的一个周期聚焦于一个数据量子比特和一个测量量子比特。黑色条CZ 门H阿达马门M测量R重置DD动力学去耦。橙色注入的相干错误紫色数据量子比特泄漏移除DQLR[33]。b. 表面码中的错误注入。距离 3 码对 9 个子码取平均距离 5 码对 4 个子码取平均如图 1 所示。逻辑性能对所有码的平均权重 4 探测概率作图增加错误注入角度α会提升探测概率。每个实验包含 10 个周期总重复次数为 2×10⁴次。直线对交叉点及以下数据点的幂律拟合。插图逆错误抑制因子1/Λ与探测概率的关系。直线对1/Λ1点的拟合。c. 基于组分错误和模拟的表面码错误预算。CZCZ 门错误不含泄漏和杂散相互作用CZ 杂散相互作用CZ 门中由杂散相互作用导致的错误数据闲置测量和重置期间数据量子比特的闲置错误测量测量和重置错误泄漏CZ 门中及由热激发导致的泄漏单量子比特门单量子比特门错误。d. 每个周期是否执行数据量子比特泄漏移除时的逻辑性能对比。距离 3 点红色三角形对四个象限取平均。每个实验包含 105 次重复。曲线指数拟合。e. 重复实验评估性能稳定性对比距离 3 和距离 5 码。每个点代表逻辑性能随实验持续时间的扫描结果最长至 250 个周期。为量化关联错误与更典型的门错误的影响我们构建了错误预算。遵循文献 [17,38] 的方法我们估计不同组分错误对1/Λ的相对贡献基于 72 量子比特处理器的详细模型进行模拟。该模型包含门和测量带来的局域噪声源以及两种关联错误源泄漏以及 CZ 门中的杂散相互作用可诱导关联的ZZ类和交换类错误 [24]。图 2c 展示了使用关联匹配解码时 72 量子比特处理器的1/Λ错误预算。将相同解码器应用于实验数据错误预算对Λ的预测值偏高 20%表明处理器中大部分但非全部错误效应已被捕捉。关联错误约占预算的 17%虽非主导因素但预计其重要性会随错误率降低而提升。总体而言CZ 门的局域错误和关联错误是错误预算的最大贡献者因此持续提升相干性和校准精度对进一步降低逻辑错误至关重要。我们主动缓解的一种潜在关联错误源是 transmon 量子比特的高能级泄漏。在逻辑量子比特运行期间我们通过多能级重置移除测量量子比特的泄漏对于数据量子比特DQLR 将泄漏激发转移至测量量子比特或额外的泄漏移除量子比特[33]。为检验泄漏的影响我们在 72 量子比特处理器上运行距离 3 和距离 5 码对比执行和不执行 DQLR 时的逻辑错误概率结果如图 2d 所示。尽管激活 DQLR 对距离 3 码的性能影响不大但显著提升了距离 5 码的性能使Λ增加了 35%。相比之下探测概率仅降低了 12%[24]表明仅当错误无关联时探测概率才能作为逻辑错误抑制的良好代理指标。总体而言解决泄漏问题对基于 transmon 量子比特的表面码运行至关重要 [39,15,33]。最后我们测试了对漂移的敏感性。使用 72 量子比特处理器我们在 15 小时内 16 次测量 1 个距离 5 码和 4 个距离 3 码的逻辑性能结果如图 2e 所示。重复实验前我们采用频率优化策略预测二能级系统TLS的缺陷频率避免量子比特在初始校准和实验期间与 TLS 耦合此外每四次实验后重新校准处理器以应对量子比特频率和读出信号的潜在漂移。使用神经网络解码时我们观测到平均Λ2.18±0.07标准偏差最优Λ2.31±0.02[24]。尽管最差的距离 3 象限性能因瞬态 TLS 的移动快于预测而出现波动但距离 5 码的波动被抑制表明更大的码对组件级漂移更不敏感。此外漂移重新校准后立即进行的实验其逻辑错误率与校准前无显著差异说明逻辑量子比特对当前水平的量子比特频率和读出漂移具有鲁棒性。这些结果表明超导处理器可在大规模容错算法所需的数小时时间尺度上保持稳定 [21]。四、利用重复码探究超低错误 regime尽管实现了低于阈值的表面码当前逻辑错误率与实用量子计算的要求仍相差数个数量级。此前开展重复码实验时我们发现高能撞击事件约每 10 秒发生一次引发大规模关联错误爆发导致逻辑错误平台期约为 10⁻⁶[17]。这类错误会阻碍未来纠错算法的运行因此我们在新型器件上重新开展了重复码实验。图 3重复码中高码距的错误缩放。a. 采用最小权重完美匹配解码时逻辑每周期错误率εd​与码距d的关系。重复码数据来自d29、103 个周期的实验X和Z基各 10⁷次重复。我们从相同的d29数据集中子采样低码距重复码对子采样结果取平均。直线错误抑制因子Λ的拟合。纳入文献 [17] 的数据用于对比。b. 逻辑错误随注入错误的缩放。向所有量子比特注入一系列相干错误以观测到的平均探测概率pdet​作图。每个实验包含 10 个周期取 10⁶次重复的平均。低码距同样从d29数据集中子采样。直线幂律拟合εd​Ad​pdet(d1)/2​一个拟合参数Ad​限制条件为εd​10−7且pdet​0.3。c. 1/Λ随注入错误的缩放。典型的相对拟合不确定度为 2%。直线拟合线。d. 导致探测概率升高的典型事件其随时间常数 369±6 微秒呈指数衰减灰色虚线。绘制了三次连续实验的结果由灰色竖线分隔。28 个测量量子比特根据灰色窗口内的平均探测概率分为四个四分位组。每条曲线代表一个四分位组的平均探测概率时间窗口为 10 个周期。插图灰色窗口内每个测量量子比特的平均探测概率彩色圆点。我们使用 72 量子比特处理器运行距离 29 的重复码进行 1000 个纠错周期的实验总重复次数为 2×10⁷次均匀分布在比特翻转和相位翻转码中。总计执行了 2×10¹⁰个纠错周期处理器运行时间为 5.5 小时。基于 1000 个周期的逻辑错误概率pL​我们推断逻辑每周期错误率为εd​21​(1−(1−2pL​)1/1000)。为评估逻辑每周期错误率随码距d的缩放规律我们遵循文献 [38] 的方法从距离 29 的数据集中子采样低码距重复码。对比特翻转和相位翻转重复码取平均在拟合d5至d11的逻辑每周期错误率与码距关系时我们得到错误抑制因子Λ8.4±0.1如图 3a 所示。值得注意的是错误率被抑制至远低于 10⁻⁶突破了此前观测的错误平台期。我们将高能撞击故障的缓解归因于间隙工程约瑟夫森结 [40]。然而当码距d≥15时我们观测到高码距下指数错误抑制的偏离最终出现表观的 10⁻¹⁰逻辑错误平台期。尽管在距离 29 时未观测到任何错误这可能是由于少数破坏性最强的错误爆发时随机解码正确所致。尽管该逻辑每周期错误率或许能满足部分容错应用 [11]但仍比预期高多个数量级无法支撑更大规模的容错电路 [21,12]。分析这些高码距逻辑故障的探测模式时我们发现两种故障模式第一种表现为一个或两个探测器的探测概率突然升高超过 3 倍数十至数百个周期后恢复至初始值 [24]。这类破坏性较小的故障可能由量子比特工作频率附近出现的瞬态 TLS 或耦合器激发导致可采用类似文献 [39,41] 的方法缓解。第二种更具灾难性的故障表现为多个探测器同时出现探测概率的大幅尖峰如图 3d 所示。值得注意的是这类各向异性错误爆发在空间上局限于约 30 个量子比特的区域见插图。在 2×10¹⁰个纠错周期中处理器共发生 6 次这类大型错误爆发是高码距故障的主要原因。这类爆发如图 3d 所示的事件与此前观测的高能撞击事件 [17] 不同它们大约每小时发生一次而非每几秒一次且衰减时间常数约为 400 微秒而非数十毫秒。目前我们尚未明确这类事件的成因但缓解它们仍是构建容错量子计算机的关键。这些结果再次证实长重复码是发现量子处理器在逻辑噪声平台期新错误机制的关键工具。此外尽管我们已在低码距下验证了公式 1 的缩放规律重复码使我们能够扫描至更高码距和更低逻辑错误。采用与表面码类似的相干错误注入方法我们在图 3b-c 中展示了逻辑错误随物理错误和码距的缩放观测到与O(p(d1)/2)错误抑制的良好一致性。例如将探测概率降低 2 倍会使距离 15 时的逻辑错误率降低 250 倍与预期的O(p8)缩放规律一致。这表明若能在表面码中实现相近的错误抑制因子最终将实现大规模容错量子计算机的显著错误抑制。五、实时解码除了高保真度的处理器容错量子计算还需要能实时解码错误的经典协处理器。这是因为部分逻辑运算是非确定性的其依赖于必须即时正确解读的逻辑测量结果 [23]。若解码器无法快速处理测量信息校验子信息的累积会导致计算时间呈指数级增长。由于超导处理器的速度特性实时解码极具挑战性每个周期内校验子信息的传输、处理和解码吞吐量必须与 1.1 微秒的快速纠错周期同步。我们以 72 量子比特处理器为平台在容错量子计算架构的这一核心模块上实现了低于阈值的运行性能。我们的解码系统始于经典控制电子器件测量信号被分类为比特流随后通过低延迟以太网传输至专用工作站在工作站内测量数据被转换为探测事件再通过共享内存缓冲区流式传输至实时解码软件。我们采用稀疏 Blossom 算法的专用版本 [42]优化后可快速解析表面码解码中常见的局部错误配置并行化策略与文献 [43] 类似。解码器运行在固定大小的图缓冲区中模拟当前解码的错误图区域且不随实验总周期数增长。不同线程负责图的不同时空区域在流式传输校验子信息时处理对应区域 [44,45,43,46]最终融合结果以得到全局最小权重完美匹配。流式解码算法如图 4a-b 所示。我们还采用贪心边缘重加权策略考虑 Y 型错误诱导的关联效应提升解码精度 [29,47]。图 4d 中我们报告了解码器延迟定义为解码软件接收最后一个周期的校验子测量结果至解码器返回校正结果的时间。对于距离 5 表面码我们通过增加纠错周期数至 10⁶来测试不同问题规模观测到平均延迟基本保持在 63±17 微秒的净平均值与实验时长最长 1.1 秒无关表明解码问题正在实时处理。该延迟最终将决定逻辑处理器执行非克利福德门的响应时间目前尚未包含对逻辑电路的反馈。重要的是即使在实时解码的严格时序要求下我们仍能保持低于阈值的性能。我们在 72 量子比特处理器上开展专门实验对比实时解码与相同数据的离线高精度神经网络解码结果如图 4c 所示。我们的实时解码器使用与器件数据无关的先验实现了ε5​0.35%±0.01%Λ2.0±0.1而神经网络解码器离线解码时实现了ε5​0.269%±0.008%Λ2.18±0.09。实时解码器与离线解码器的精度小幅下降是预期之内的因为实时解码器必须运行得更快每个周期的处理吞吐量需小于 1.1 微秒而神经网络解码器为 24 微秒 / 周期 [27]。不过我们预计通过引入分层解码、窗口解码等技术 [44,45,28]许多高精度解码方法最终可实现实时解码。图 4实时解码。a. 流式解码算法的示意图。解码问题被划分为多个块不同线程负责不同块。b. 处理块的任务图。探测事件允许匹配至块边界随后在融合步骤中进行下游处理。若探测事件的配置无法通过后续融合步骤解决解码器会标记故障。我们使用 10 个周期的块确保标记的故障概率远低于逻辑故障概率。c. 表面码的三种解码器精度对比。包括实时解码器RT、集成匹配合成解码器Ens.和神经网络解码器NN。每个点的不确定度小于 10⁻⁴[24]。d. 解码器延迟与实验时长的关系。蓝色点对应单次实验结束的延迟每个时长 10 次实验水平条中位数蓝色阴影小提琴图黄色直方图表示子单次延迟通过统计每个 10 周期块的数据接收后解码器完成该块的时间得到。子单次延迟通常略长于单次实验结束延迟因为解码器可能需要等待未来周期的探测事件融合以处理当前周期的数据。六、展望在本研究中我们实现了低于阈值的表面码量子存储器。每次码距增加 2逻辑每周期错误率便降低超过一半最终使距离 7 码的寿命超过其最优组成物理量子比特寿命的两倍。这种逻辑错误率随码距呈指数级被抑制的特性为开展纠错的大规模量子算法奠定了基础。我们的纠错处理器还在容错量子计算领域展现了其他关键进展数小时内实现了可重复的性能且 10⁶个周期的实验未出现性能退化这是未来大规模容错算法的必要条件此外我们设计的实时解码系统与离线解码器相比精度仅小幅下降。尽管如此我们仍面临诸多挑战。尽管原则上可通过扩展现有处理器实现低逻辑错误率但实际中会耗费大量资源。根据图 1d 的预测实现 10⁻⁶的错误率需要 1457 个物理量子比特的距离 27 逻辑量子比特。码距的增加还会带来实时解码的额外挑战每个周期的校验子测量数量随码距呈二次增长。我们的重复码实验还发现由关联错误爆发导致的错误平台期为 10⁻¹⁰识别并缓解这类错误机制对运行更大规模量子算法至关重要。不过量子纠错也为通过处理器改进降低逻辑错误提供了指数级的优势。例如将物理错误率降低 2 倍可使距离 27 的逻辑性能提升四个数量级达到与算法相关的错误率区间 [11,12]。我们还预计随着纠错协议 [48,49,50,51,52,53,54] 和解码技术 [55,56,57] 的进步这类资源开销将进一步降低。量子纠错的目标是实现大规模量子算法。尽管本研究聚焦于构建鲁棒的量子存储器逻辑计算还将面临额外挑战 [58,59]。在经典层面我们必须确保校准协议、实时解码器、逻辑编译器等软件组件能够扩展至运行多表面码操作所需的规模和复杂度 [60]。借助低于阈值的表面码我们已展示了原则上可扩展的处理器性能如今需将其转化为实际的规模化应用。七、作者贡献谷歌量子人工智能团队构思并设计了实验。谷歌量子人工智能的理论和实验团队开发了支撑实验的数据分析、建模和计量工具搭建了系统、完成了校准并收集了数据。所有作者撰写并修订了本文稿及补充信息。八、致谢感谢 S. Brin、S. Pichai、R. Porat 和 J. Manyika 对谷歌量子人工智能团队的行政支持以及他们持续的参与和帮助。九、伦理声明作者声明无利益冲突。十、补充信息本文附有补充材料。相关通讯及材料索取请联系 H. Neven邮箱nevengoogle.com。十一、数据可用性支持本研究结果的数据可在https://doi.org/10.5281/zenodo.13273331获取。谷歌量子人工智能团队及合作者作者单位列表略详见原文References [1] Shor, P. W. Scheme for reducing decoherence in quantum computer memory. Physical Review A 52, R2493 (1995). [2] Gottesman, D. Stabilizer codes and quantum error correction (California Institute of Technology, 1997). [3] Dennis, E., Kitaev, A. Y., Landahl, A. Preskill, J. Topological quantum memory. Journal of Mathematical Physics 43, 4452–4505 (2002). [4] Kitaev, A. Y. Fault-tolerant quantum computation by anyons. Annals of Physics 303, 2–30 (2003). [5] Aspuru-Guzik, A., Dutoi, A. D., Love, P. J. Head-Gordon, M. Simulated quantum computation of molecular energies. Science 309, 1704–1707 (2005). [6] Lloyd, S. Universal quantum simulators. Science 273, 1073–1078 (1996). [7] Shor, P. W. 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