亚马逊AWS展示高效纠错的全新量子比特！

亚马逊网络服务公司（AWS）在量子计算的纠错技术领域取得了显著成就，极大地简化了量子系统的复杂性和资源需求。他们的研究人员通过采用“双轨擦除”量子比特（dual-rail erasure qubit）技术，有效地克服了量子计算中的关键难题。

这项研究发表在著名的《APS物理评论X》上，详细介绍了双轨量子比特（由共振耦合的transmon量子比特组成）如何显著抑制退相干并长时间保持相干性。

这些进展对于开发可靠的量子计算机至关重要。量子计算机被寄予厚望，有望在多个领域带来变革，包括药物发现和金融建模等。

尽管量子计算机拥有革命性的能力，但它们对环境干扰导致的噪声非常敏感。这种噪声可能导致计算错误，使得现有的量子计算机无法有效解决实际问题，尤其是在这些问题上量子计算机应表现出超越传统计算机的性能时。

量子纠错技术是对抗这种噪声干扰的关键。类似于经典计算中的纠错机制，量子纠错通过对信息进行冗余编码来显著降低错误率。虽然冗余编码可以对抗噪声，但这同时增加了计算所需的物理量子比特数量、计算复杂度以及所需时间。在容易出错的量子计算硬件中实现纠错时，相关的成本可能会相当昂贵（例如，量子比特数量增加达到1000倍）。因此，开发“硬件高效”的量子纠错策略成为了研究的热点。

讨论保护量子计算机免受错误影响时，我们主要指的是两种类型的错误：比特翻转错误和相位翻转错误。量子比特可能发生“比特翻转”错误（|0〉翻转为|1〉或反之）或“相位翻转”错误（|0〉 + |1〉翻转为|0〉 - |1〉）。

这些错误会悄无声息地破坏量子比特的状态，而操作者可能完全不知情。比特翻转和相位翻转错误的这一特性使得量子计算机的纠错比经典计算机更为复杂。

影响量子比特的三类错误：（1）比特翻转错误；（2）相位翻转错误；（3）擦除错误

近年来，“擦除误差”（erasure error）这一概念引起了极大的关注。不同于比特翻转和相位翻转误差，擦除误差在破坏量子比特状态的同时，会发送信号提示发生了错误。如果量子计算机能够仅基于存在擦除错误的量子比特构建，那么当这类错误发生时，纠错过程将变得更为简单，因为我们能够确切地知道哪些量子比特被破坏。这种额外信息的获取可以减少修正无声比特翻转和相位翻转错误所需的冗余和成本。

最近，在中性原子、超导电路和俘获离子等多种量子计算平台中，这种减少纠错开销的策略获得了越来越多的关注。

AWS开发的创新型双轨擦除量子比特技术，减少了复杂和资源密集型的纠错需求，从而有助于解决量子系统扩展的主要难题之一。

“擦除量子比特”（erasure qubit）是一种独特的量子比特设计，它主要受擦除误差的影响，而传统的比特翻转或相位翻转误差则非常罕见。为了实现这样的量子比特，需要采用一种特殊的编码方式，这种方式能够保证驱动硬件错误的物理过程只会引起擦除错误。

AWS在构建这种擦除量子比特的过程中，采用了标准的量子比特元件，即Transmon。在两个Transmon间使用的“双轨”编码方式中，量子比特的两种状态分别由左边的Transmon携带光子（|10〉）和右边的Transmon携带光子（|01〉）来定义。在此编码体系下，光子的丢失并不会引起|01〉与|10〉之间的无声错误，而是导致系统转移到没有光子的第三种状态（|00〉）。这意味着，只要能够检测到系统中是否仍存在光子，就可以发现是否发生了错误；如果无法检测到光子，就能标记出擦除错误。

AWS在一对Transmon中对单个“双轨”量子比特进行编码，以便能够标记光子泄漏造成的错误

双轨量子比特采用单光子编码，两个Transmon共享单光子，以抑制噪声，同时还能将光子泄漏标记为擦除

然而，在Transmon中，弛豫并不是唯一需要关注的错误类型。另一个关键的误差来源是“去相位”（dephasing），这是由于Transmon能量的波动造成的，会在|01〉和|10〉状态间产生无声的相位翻转错误。

为了应对这一问题，研究人员采取了一种更深入的技术探索：不是单独操作每个Transmon，而是将它们耦合在一起。这样，两个Transmon共享单个光子，形成对称或反对称的状态，从而定义了“逻辑”量子比特状态：|0L〉=|01〉-|10〉和|1L〉=|01〉+|10〉。

由于这些状态中的每个Transmon平均含有半个光子，因此对Transmon的基本能量波动不太敏感。尽管去相位仍然可能导致双轨量子比特出现比特翻转和相位翻转，但与基础Transmon的误差率相比，这些误差可大幅降低。因此，双轨量子比特展现出了高度的相干性，即使是在噪声较大的Transmon量子比特构件条件下。

双轨量子比特在其子空间内展示了毫秒级的相干性，考虑到对于量子态来说，一毫秒就是一个寿命，这是一项了不起的成就。

双轨擦除量子比特编码

在此基础上，AWS已经实现了擦除量子比特的核心要素：一对状态|0L〉和|1L〉，它们主要受擦除误差（泄漏至状态|00〉）的影响，同时具有极少的比特翻转和相位翻转误差。

下一步是通过实验测试来验证：

- 相比擦除误差，比特翻转和相位翻转误差的罕见程度有多高？

- 能否有效检测到|00〉状态的泄漏，并将其作为擦除错误进行标记？

科学家们通过在不同状态下初始化系统并追踪其随时间的变化，研究了各类错误的发生率。特别地，AWS专注于确定擦除误差与比特翻转和相位翻转误差在总体误差中的相对比例。

测量擦除错误率的方法是将系统初始化为|0L〉或|1L〉等状态，然后观察一段时间后系统变为|00〉状态的频率。研究发现，这种状态转变的典型时间约为30微秒，与独立测量的这些Transmon的光子泄漏速率相符。

对于比特翻转和相位翻转误差的测量，则专注于光子未丢失的情形。测量比特翻转错误的方法是：首先将系统置于|1L〉状态，然后测量一段时间后系统处于|0L〉状态的概率，反之亦然。相位翻转错误的测量则是：将双轨量子比特准备在|0L〉+|1L〉的叠加态中，后来检测到它在错误的叠加态（|0L〉-|1L〉）中的频率。这两种类型的错误发生的时间尺度更长，大约为1毫秒，是组成双轨量子比特的底层Transmon错误的30倍。

如预期，这些数据表明，AWS的双轨量子比特中绝大多数误差（超过96%）是擦除误差（转换到|00〉状态），而仅有少部分（不到4%）是比特翻转和相位翻转的残余（无声）误差。这意味着，如果能够准确地标记擦除错误，系统中的大多数错误都可以被有效纠正。

为了检测擦除错误，科学家们需要确定双轨系统是否处于|00〉状态，并区分它与|0L〉和|1L〉状态。关键在于，在没有擦除发生的情况下，不能泄露双轨量子比特的逻辑状态。

例如，如果双轨量子比特处于|0L〉+|1L〉状态，进行擦除检查时，如果显示没有擦除发生，系统应保持在这种叠加状态，而不是坍塌到|0L〉或|1L〉，这将引入新的无声相位翻转错误。

为实现这种精细的测量，科学家们引入了一个与双轨量子比特弱耦合的第三个Transmon，作为“辅助”（ancilla）器件。双轨系统中单光子的有无都会引起辅助器件的能量变化。对于|0L〉和|1L〉这两个状态，由于都含有一个光子，能量偏移是相似的。但对于不含光子的|00〉状态，能量偏移则有所不同。因此，通过测量辅助Transmon的能量变化，就能够判断双轨系统是否已衰变为|00〉状态，同时又无需区分|0L〉和|1L〉。

根据双轨量子比特的状态，ancilla transmon的能量会发生偏移，从而能够检测到双轨是否衰减到 |00〉

这一策略在理论上能够高保真地识别擦除错误，同时避免对双轨量子比特带来额外的干扰。为了实际验证这一点，科学家们将系统初始化为|0L〉+|1L〉的叠加态，并进行了一系列连续的擦除错误检查，以观察叠加状态是否会受到影响。

实验结果表明，每次检查引起的错误率极低（不到0.1%），这强有力地证实了该方法是有效且可行的擦除错误检测手段。

擦除量子比特包含三个transmon

实验结果显示，在这种量子比特中，擦除错误是主要的错误类型，且能够被实时检测到。研究人员接下来计划利用这些新型量子比特来构建逻辑门和纠错电路。

AWS表示：“这项工作标志着以transmon为基础的擦除量子比特这一激动人心的旅程的开始。接下来的关键步骤包括利用这些新型量子比特完善纠错工具箱，并将其扩展到更大规模的系统中。”他们进一步指出，“我们的目标是将擦除错误等新理念整合进标准量子处理器，以实现与该领域其他尖端发展相协调的纠错性能提升。”

这一突破在解决量子纠错问题方面更为高效，对于量子计算行业的可扩展性和应用前景有着潜在的深远影响。随着技术的不断发展和成熟，进一步研究和开发有效的纠错方法将成为充分发挥量子计算潜力的关键。

实际上，这种硬件高效的纠错策略仅是量子计算机发展过程中诸多技术挑战之一。它与系统性地提升设备性能、构建可扩展的控制系统等其他关键进展相互补充。在通向大规模、实用的量子计算这条充满挑战和机遇的道路上，所有技术的发展都需同步进行。

参考链接：

[1]https://ytech.news/en/quantum-leap-forward-aws-enhances-error-correction-in-quantum-systems/

[2]https://physics.aps.org/articles/v17/s35

[3]https://aws.amazon.com/cn/blogs/quantum-computing/a-new-building-block-for-error-corrected-quantum-computers/

[4]https://www.hpcwire.com/2024/03/20/aws-reports-improved-quantum-error-correction-based-on-dual-rail-erasure-qubit/

[5]https://thequantuminsider.com/2023/07/21/scientists-ride-dual-rail-qubits-for-longer-coherence-times-improved-error-correction/