纠错魔法：克利福德电路在注入称为魔法状态的特殊状态时实现了通用性，即计算量子理论允许的任何函数的能力。 纠错魔法状态（上图概念性地示出）有助于通过魔法状态蒸馏（MSD）协议实现容错逻辑门，但这些协议预计将相当资源密集型，除非将高保真魔法状态输入到这些电路。 在这项工作中，IBM 团队使用量子纠错来准备这种高保真魔态。 （由 IBM 提供）
人类喜欢构建强大的系统——能够抵制变化并最大限度地减少不可靠或不良结果的系统。 在量子计算中，这种愿望表现为容错量子计算（FTQC），其目的是保护量子态和操纵量子态的逻辑门免受环境干扰。 尽管这是一项相当资源密集型的任务，但 IBM 研究中心的物理学家最近表明，由于一些现实生活中的量子“魔法”，他们可以部分满足这一要求。
缓冲量子态免受不可控干扰的过程称为量子纠错（QEC）。 在此过程中，理想情况下存储在几个量子位或量子位中的信息会存储在更多量子位中。 由此产生的冗余用于检测和纠正强制错误。 在 QEC 术语中，理想情况量子态（逻辑状态）到噪声保护状态（物理状态）的映射称为编码。 有多种方法可以执行此编码，每种此类方案称为纠错码。
FTQC 首先以 QEC 作为第一步，然后使用适当的编码门和测量来稳健地执行计算。 为了成功，错误率必须低于某个阈值。 由于上述编码需要大量物理量子位，实现如此低的错误率仍然是一个重大挑战。 然而，研究人员正在对 FTQC 子程序进行重大改进。
一点点魔法
Maika Takita 和 Benjamin J Brown 领导的 IBM 团队最近做出了一项这样的改进。 在这项发表在《自然》杂志上的工作中，该团队提出并实现了一种错误抑制编码电路，可以准备高保真“魔法状态”。 要了解什么是神奇状态，必须首先认识到某些操作在 FTQC 中比其他操作更容易实现。 这些操作称为稳定器或 Clifford 操作。 但仅靠这些操作，我们无法执行有用的计算。 这是否会使克利福德电路变得毫无用处？ 在 当一类称为幻态的状态被注入到这些电路中时，这些电路可以进行量子理论允许的任何计算。 换句话说，注入魔法状态将通用性引入克利福德电路。
下一个重要问题是，如何准备魔法状态？ 直到几十年前，最好的技术只能创建这些状态的低质量副本。 随后，两位研究人员 Sergey Bravyi 和 Alexei Kitaev 提出了一种称为魔态蒸馏（MSD）的方法。 如果一开始在魔法状态的嘈杂副本中使用许多量子位，则可以使用 MSD 创建一个单一的、纯化的魔法状态。 至关重要的是，仅使用 Clifford 操作和测量就可以实现这一点，这在 FTQC 中非常“简单”。 Bravyi 和 Kitaev 的洞察力创建了一种领先的 FTQC 计算模型，称为通过 MSD 的量子计算。
当然，人们总是可以从允许在 Clifford 集之外进行操作的电路开始。 那么输入状态就不再是“神奇的”了。 但是坚持使用由魔术状态补充的 Clifford 电路的一大优点是，它的普遍性将一般的容错问题减少到仅执行容错 Clifford 电路的问题。 此外，大多数已知的纠错码都是根据 Clifford 运算定义的，这使得该模型成为近期探索的关键模型。
状态的高保真度
虽然 MSD 需要大量尝试来准备预期状态，但 IBM 研究人员表明，可以通过以高保真度准备输入魔法状态（到 MSD）来减少这些尝试，这意味着准备好的状态非常接近所需的状态。 在概念验证演示中，IBM 团队准备了一种编码的魔法状态，该状态对于任何单量子位错误都具有鲁棒性。 他们使用 ibm_peekskill 系统上 27 量子位 IBM Falcon 处理器的四个量子位对受控 Z (CZ) 魔法状态进行编码，获得的保真度相当于在不编码初始状态的情况下获得的保真度的平方。
该团队还通过引入自适应性来提高编码状态的产量，即随着时间的推移产生的神奇状态的数量，自适应性是中电路测量输出被前馈以选择达到所需神奇状态所需的下一个操作的地方。 “基本上，我们可以创造更多的神奇状态和更少的垃圾，”团队负责人 Benjamin Brown 说道，他在美国纽约 IBM Quantum TJ Watson 研究中心和 IBM 丹麦任职。 这些在良率和保真度方面观察到的优势都是由于量子纠错抑制了状态准备期间增持的噪声。
检查准备的状态
该团队通过断层扫描实验证实，他们已经创建了预期的神奇状态（以及所谓的保真度增益）。 在一项实验中，容错电路以仅揭示逻辑状态信息的方式测量物理状态。 这称为逻辑断层扫描。 与此同时，另一个称为物理断层扫描的实验可以确定确切的物理状态。 正如所预料的，逻辑层析成像比物理层析成像更高效且需要更少的资源。 例如，在CZ状态的情况下，前者需要7个测量电路，而后者需要81个测量电路。
除了展示量子纠错的优势外，这项新工作还开辟了一条新的研究途径——利用适应性来准备高保真、高产的魔态，这对开发创造性的容错计算技术具有更重要的意义。 布朗说：“这个实验让我们走上了解决量子计算中最重要挑战之一的道路——在纠错量子位上运行高保真逻辑门。”
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