3D 中本地代码的现有边界的图示，以及已知使它们饱和的结构。图片来源：Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-53881-3

悉尼大学纳米研究所的两位量子信息理论家解决了一个几十年来的问题，该问题需要更少的量子比特来抑制量子硬件中的更多错误。

悉尼大学量子研究人员 Dominic Williamson 和 Nouédyn Baspin 揭示了一种变革性的新架构，用于管理量子计算机运行中出现的错误。

他们的创新理论方法不仅有望提高量子信息存储的可靠性，而且还会显著减少创建“逻辑量子比特”（或可以执行有用计算的“量子开关”）所需的物理计算资源。这应该会导致开发更紧凑的量子硬盘驱动器。

来自悉尼大学纳米研究所和物理学院的主要作者 Williamson 博士说：“在开发通用量子计算机方面，仍然存在重大障碍需要克服。最大的一个问题是，我们需要使用大部分量子比特（机器核心的量子开关）来抑制技术中理所当然地出现的错误。

“我们提出的量子架构将需要更少的量子比特来抑制更多的错误，从而为有用的量子处理释放更多时间，”Williamson 博士说，他目前在 IBM 担任了 12 个月的量子研究员。

这项研究已发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。

他们理论架构的核心是三维结构，允许跨二维量子纠错。当前的纠错架构也是在 3D 量子比特系统中构建的，其工作可以减少沿单行连接量子比特的一维误差。

纠错是通过编写通过量子比特结构运行的代码来执行的，量子比特结构是量子开关组织方式的网格。目标是赢得一场“军备竞赛”，使用物理量子比特来抑制出现的错误，方法是使用尽可能少的量子比特来减少错误。

Williamson 博士说：“当前尺寸 L x L x L 的 3D 代码只能管理 L 误差。我们的代码可以处理像 L 一样扩展的错误2（LxL） — 一个显著的改进。

十多年来，人们已经知道三维量子纠错架构 （LxLxL） 的上限为 LxL，但尚未发现此类代码。

博士生和合著者 Baspin 说：“这意味着我们在三维空间中发现了量子物质的新状态，这些状态具有前所未有的特性。

量子计算机有望解决目前经典计算机无法解决的复杂问题。然而，实现实用量子计算的主要挑战之一是需要强大的纠错机制。

传统的量子纠错方法，例如广泛研究的表面代码，在可扩展性和资源效率方面存在局限性。

Williamson 和 Baspin 的研究引入了一种三维架构，可以有效地管理二维层内的量子误差。通过利用这种三维拓扑代码，研究人员已经证明，在显著减少所需物理量子比特数量的同时实现最佳缩放是可能的。这一进步对于可扩展量子计算机的开发至关重要，因为它允许更紧凑的量子存储系统结构。

通过减少物理量子比特开销，这些发现为创建更紧凑的量子硬盘驱动器铺平了道路，这是一种能够可靠地存储大量量子信息的高效量子存储系统。

量子理论家、悉尼大学纳米研究所所长 Stephen Bartlett 教授说：“这项进步有助于改变量子计算机的构建和操作方式，使其在从密码学到量子多体系统的复杂模拟等广泛应用中更易于访问和实用。

更多信息：Dominic J. Williamson 等人，层代码，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-53881-3

期刊信息： Nature Communications