3 级多超立方体代码结构的可视化。来源：科学进展 （2024）。DOI： 10.1126/sciadv.adp6388

在发表在《科学进展》上的工作中，日本理化学研究所量子计算中心的 Hayato Goto 提出了一种新的量子纠错方法，该方法使用他所谓的“多超立方体代码”。

事实证明，这种方法具有优雅的几何结构，可以帮助实现极其有效的纠错，并有助于实现高度并行的方法，从而实现容错量子计算，这是量子计算机发展的下一阶段。

根据 Goto 的说法，“由于最近的实验进展，我们现在有很大的希望能够构建容错量子计算机，这意味着量子计算机可以纠正错误并在某些任务上超越传统计算机的能力。然而，为了实现这一目标，开发高效的量子纠错非常重要。

在过去的几十年里，科学家们提出了许多不同的纠错方法。传统的量子纠错方法通常基于将单个逻辑量子比特（量子比特相当于经典计算机上的一个比特）编码到许多纠缠的物理量子比特上，然后使用解码器从物理量子比特中检索逻辑量子比特。

但是，此方法的可伸缩性是一个问题，因为所需的物理量子比特数量会大幅增加，这会导致巨大的资源开销。为了克服这个问题，已经考虑了高速率量子代码，例如量子低密度奇偶校验代码。

使用这种方法，使计算成为可能的逻辑门必须非常按顺序设置，而不是完全并行，这使得它们在时间上的效率较低。

作为解决此问题的方法，Goto 建议使用一种他称为“多超立方体代码”的方法。具体来说，它是一种具有复杂名称（高速级联量子代码）的方法，其创新之处在于，逻辑量子比特可以通过数学方式可视化为形成所谓的“超立方体”，这是一种形状，包括正方形和立方体以及更高阶的形状，例如 tesseract。

代码美丽的数学和几何结构非常出色，因为大多数高速率量子代码都具有复杂的结构。

Goto 强调，为了让新代码产生更高的性能，他需要开发一种新颖的专用解码器，可以解释物理量子比特的结果。这种创新技术基于逐级最小距离解码，可实现高性能。

与其他类似方法不同，它还允许将逻辑门并行而不是串联，这使得该系统类似于经典计算机中的并行处理，因此 Goto 将其称为“高性能容错计算”，类似于用于大规模并行计算的“高性能计算”。

工作得到了回报。这些代码实现了高达 30% 的编码率（表示逻辑量子比特和物理量子比特之间比率的数字），Goto 表示，这似乎是世界上用于容错量子计算的代码中最高的。即使具有如此高的速率，其性能也与传统的低速率代码相当。

Goto 说：“在实践中，这段代码可以使用物理量子比特系统来实现，例如激光捕获的中性原子量子比特。

更多信息：Hayato Goto，具有多超立方体代码的高性能容错量子计算，Science Advances（2024 年）。DOI： 10.1126/sciadv.adp6388

期刊信息： Science Advances