【转载】可扩展容错性量子计算的重大突破　在世界上首次实现拓扑量子纠错

合肥微尺度物质科学国家实验室（筹）潘建伟及其同事陈宇翱、刘乃乐等组成的研究小组与澳大利亚和加拿大的研究人员合作，将拓扑量子计算和量子纠错理论结合在一起，利用具有拓扑性质的八光子簇态，在世界上首次成功实现了拓扑量子纠错。该项研究成果以长文（Article）的形式发表在2月23日出版的纪念“计算机之父”图灵诞辰100周年的《自然》杂志上。这是量子信息领域以中国为第一单位发表在《自然》杂志上的首篇长文。
量子计算机由于其超越经典计算机极限的强大并行运算能力，成为二十一世纪量子物理学家们梦寐以求的目标。然而，学术界公认的长期困扰其物理实现的最大问题“消相干效应”——由于量子计算机不可避免地与环境耦合而产生的各种噪声从而使计算过程产生各种错误——一直没有得到很好的解决。国际上以往提出的众多量子纠错方案中，一般采用对每一步逻辑操作都进行量子纠错的方法。这样，为了可扩展量子计算能够有效进行，要求每一步逻辑操作的错误发生率都不得高于10-5量级，而这么低的容错率是目前任何实验手段都无法实现的。
近年来，学术界提出了拓扑量子纠错这一全新概念，把量子态的拓扑性质应用于量子纠错过程中，从而将量子纠错中可容忍的最高逻辑操作错误发生率提高了三个数量级，达到10-2量级。拓扑量子纠错方案大大降低了对操作精度的要求，达到了现有实验技术可以实现的水平，是目前已知拥有最高容错率的量子计算方案，从而使得可扩展容错性量子计算在现实条件下成为可能。
在中科院、科技部和国家自然科学基金委的支持下，潘建伟研究小组经过三年的艰苦努力，创造性地发展了一套全新的实验技术，将双光子纠缠的亮度提高了4倍，从而使得制备八光子簇态的总效率至少提高了200倍，仅用八十天时间就完成了实验，这在以前几乎是不可能实现的。同时，研究人员还设计了一种特殊的、滤除噪声的八光子干涉仪，成功制造出并观测到了具有拓扑性质的八光子簇态，并以此簇态为量子计算的核心资源，实现了拓扑量子纠错。

实验装置示意图

实验结果显示，在拓扑量子计算的过程中可以完全纠正出现在任意量子比特上的单比特错误，而且当每个量子比特都以相同概率发生错误时，受保护的量子关联的有效错误率会大大降低。这项工作在实验上迈出了可扩展容错性量子计算的第一步，在量子计算领域具有里程碑式的意义，它将有力地推动可扩展量子计算的发展，为将来成功实现真正的量子计算打下坚实的基础。
对于该篇文章实现的目前所有已知的量子计算方案中拥有最高容错率的拓扑量子纠错方案的实验证明，《自然》杂志的几位审稿人给予了热情洋溢的高度评价，称之为“非常重要的原理性实验，一个艰苦卓绝的英雄主义的量子光学实验”，“实验的完成是完美而极具挑战性的”，“对拓扑纠错这一当前量子信息处理最引人注目的范例中关键一环的实验验证”。为此，《自然》专门发布了“Press release”，并邀请著名量子光学专家James Franson教授在“新闻视角”栏目撰文对这个工作进行了介绍。此外，文章还受到了英国物理学会的PhysicsWorld等许多科学媒体的关注。