近日，谢菲尔德大学的研究人员开发了一种新的量子纠错方法，实现了在不需要复杂的量子纠错码的情况下，仍可以使量子测量结果更加可靠。该方法使用来自经典纠错码的结构化“交换可观察对象”来检测和纠正测量结果中的错误，从而提高依赖经典数据输出的近期量子应用的准确性。该方法可以增强各种量子系统的性能，通过使用最少的资源来实现纠错，并使量子算法在短期内更加可行。
该方法由谢菲尔德大学的Yingkai Ouyang开发，欧阳教授提供了一种通过一系列结构化测量来检测和纠正量子测量错误的方法，这些测量可以防止数据丢失并提高准确性。这项研究成果解决了量子计算中的一个关键问题：保持稳定可靠的测量，这是实现实用、抗错量子系统的必要步骤。
量子测量是量子信息处理不可或缺的一部分，但它们也容易受到导致结果失真的量子误差的影响。每一种量子算法（无论是用于数据加密、模式识别还是复杂的科学建模）都依赖于对量子状态的精确测量。根据欧阳教授的研究，这些测量中的误差可能包括多种来源，比如环境噪声或硬件精度限制，这些都会导致最终结果不准确。
大多数传统的纠错方案都侧重于保护量子状态免受外部干扰，但新方法采取了不同的路径。欧阳教授的方案不是用复杂的纠错码对数据进行编码，而是引入了从经典纠错码衍生出来的“对易可观测量”。
对易可观测量是可以同时执行而不会相互干扰的物理量。通过在结构化序列中使用这些可观测量，新方案旨在检测并纠正由测量结果中的误差引起的任何不一致。正如欧阳教授所言，这种方法可以让量子系统对测量的经典数据结果进行纠错，而无需处理完全编码量子数据本身的开销。
这种技术的一个优点是，它可以直接在量子测量中进行纠错，绕过了全面量子纠错系统（QEC）的一些限制，这些限制很难在目前的量子设备上实现。
欧阳教授认为，这种方法对于当今正在开发中的算法有很大帮助，因为这些算法通常无法访问完全开发的QEC基础设施。那些专为现阶段量子计算机上使用而设计的近期算法，通常依赖于量子测量的经典输出。它们包括用于量子学习或量子参数估计等任务的算法，这些算法在人工智能和药物研究等领域都有应用。在此类应用中，不准确的测量会降低性能，但这种新方法可以提高其可靠性。
欧阳教授的量子纠错方案可以比作一个多层安全检查点系统，其中每个检查点都会交叉检查数据是否有误，即使有错误未被第一层检出，也能获得可靠的结果。
欧阳教授这个方案的核心技术是使用一种称为“投影测量”的特殊测量方法。“投影测量”旨在隔离特定的量子状态以供观察，从而最大限度地降低引入新错误的风险。在这个新方案中，每个“投影测量”结果都被一组“对易可观测量”所取代，这些可观测对象基本上执行相同的功能，但内置了冗余以允许错误检测。通过将每个测量结果与一个特定的经典编码联系起来，来定义如何纠正错误，该方案创造了一种可靠的方法来识别和处理出现的错误。
例如，如果测量误差改变了某个特定可观察量的结果，则经典代码会识别这种不一致并根据预定义的规则纠正错误。欧阳教授表示，这是一种类似于数字通信中经典纠错码的工作方式，其中冗余数据位用于检测和修复传输错误。这里的区别在于，冗余是内置于量子测量过程本身的，使其符合量子计算的独特要求。
该方案还可以适应不同类型的量子系统。例如，欧阳教授认为，虽然传统的QEC量子纠错方法通常与“稳定器代码”相关联，稳定器代码是为特定类型的量子系统特别设计的一类编码，但新方案则适用于“非稳定器”代码。非稳定器代码包括“玻色子代码”等系统，这些系统因其能够比传统方法更有效地表示复杂量子态而受到关注。这种灵活性意味着该方案可以应用于更广泛的量子计算架构，即使在与传统QEC量子纠错不完全兼容的系统中，也能为容错计算打开大门。
根据欧阳教授的说法，这种方法的实现只需要少量资源。例如，只需要配备辅助量子态等基本组件和简单测量工具（如同相检测器）就足够了。同相检测是一种测量光属性的技术，该技术广泛用于实验量子物理学，且非常适用于此。通过保持最少的设备需求，该方法可以集成到现有的量子系统中，而无需对基础设施进行重大变更。
这项研究为量子测量可靠性的长期挑战提供了实用的见解。量子测量中的误差会影响两个主要元素：“经典结果”，即从测量中获得的数值数据，以及“测量后状态”，即测量后量子系统的结果状态。欧阳教授的方案主要侧重于纠正经典结果中的错误，这对于近期的量子设备来说至关重要，因为它可以增强算法的精度并提高整体性能。
这种方法的一个区别在于，可以根据所需的容错能力灵活地选择可观测对象的数量。欧阳教展示了通过正确选择经典编码，可以减少所需的可观测量，从而降低测量负载和操作复杂性。例如，在他的分析中，证明了10个可观测对象即可达到以前需要15个可观测对象才能达到的容错率，这使得新方法对于某些应用程序来说更加高效。
欧阳教授的工作还为“综合症提取”的潜在增强奠定了基础，从而与量子纠错领域的更广泛的应用相关联，“综合症提取”是一个识别和纠正容易出错的数据的过程。
传统的QEC量子纠错依赖于大量的“综合症提取”过程，这需要耗费不少时间和资源。欧阳教授的新方案可以简化这一过程，特别是在像“二项式码”这样的非稳定器代码中，这些代码将量子信息编码在特定状态的光中。通过在这些编码中实施稳定的测量，欧阳教授的方法可以促进更实用的容错量子计算
这种方法可能存在一些局限性——这也为科学家的进一步研究指明了方向。例如，虽然该方案与某些类型的非稳定器代码（如玻色子代码）兼容，但它可能无法在所有量子系统中提供相同级别的灵活性和有效性，尤其是那些具有更复杂动态误差的系统。尽管该方法所需的资源比完整的QEC量子纠错要少，但在大规模实施该方案时可能需要大量的辅助状态和高精度的测量。这可能会给扩展到更大的容错量子计算的工作带来新的挑战。
欧阳教授设想将这种应用纠错方案用于提高近期量子算法的测量可靠性，这些算法还不能使用完整的QEC量子纠错。进一步的研究可以测试该方法在实际算法应用中的有效性，例如量子学习或参数估计。
同样地，从长远来看，这种新方案可以补充现存容错系统中的传统QEC量子纠错方法，从而可能减轻资源需求。将该方案与完整的QEC量子纠错协议相结合的研究，，可能会导致在可扩展的量子计算架构中实现更高效的纠错机制。
Yingkai Ouyang 是谢菲尔德大学的量子计算研究员，专门研究量子纠错和测量可靠性。
该研究的成果已经发表在《NPJ Quantum Information》期刊上（DOI：10.1038/s41534-024-00904-y）。
