无需测量的通用逻辑量子计算演示

为什么更快、更可靠的量子计算机很重要

要把当今脆弱的量子原型机变成有用的设备，我们必须在运行复杂算法时保持对精细的量子比特（qubit）的控制。一个主要障碍是大多数领先的纠错方案需要不断中断来“询问”比特处于何种态——这些测量既缓慢又有噪声、技术要求高。本文报告了另一条路线的首次实验演示：在编码比特上运行完全通用且容错的量子算法，而无需任何中途测量，使用的是阱离子处理器。这样的转变可能使未来的量子计算机更快、更简单、更易扩展。

在不频繁检查的情况下保护量子信息

量子纠错将一个逻辑比特的信息分散到多个物理比特上，以便能发现并处理错误。传统上，这种保护依赖于计算过程中频繁的测量，随后进行快速、有条件的纠正——对阱离子和中性原子等硬件尤其不便，因为测量比逻辑门慢得多并可能扰动相邻比特。作者转而探索“无需测量”的协议。他们不把错误信号读入经典电子设备，而是将该信息相干地复制到辅助比特中，仅用量子门将其反馈到计算里。噪声较大的辅助比特随后被重置或替换，悄然清除熵，而不需要为测量步骤暂停算法。

在受保护的区块间传送量子态

一个关键构件是在编码区块之间移动受保护的量子态——逻辑遥传（teleportation），且中间不进行任何测量。利用一个小型的四比特错误检测码，团队实现了一个方案，其中“源”区块和“目标”区块从未直接接触。相反，两个区块都只与一个辅助寄存器的比特相互作用。关于两个逻辑比特联合性质的信息相干地映射到辅助比特上，然后这些辅助比特作为控制用于完成遥传的反馈操作。通过精心安排电路，使得任何单一物理故障仍可被检测到，该协议具备容错性。在一台 16 离子器件上的实验表明，逻辑态可以以超过 90% 的保真度被遥传，这与详细的数值模拟结果一致。

在无需中途读出的情况下构建通用量子工具箱

仅有遥传还不够；实用的量子计算机还需要一套通用的逻辑门，能够实现任何算法。作者在一个八比特错误检测码上构建了这样的工具箱，该码同时容纳三个逻辑比特，布置如立方体的角。该编码天然支持一种强大的三比特门 CCZ，通过简单的单比特旋转即可实现且不会传播错误。缺失的是高质量的逻辑 Hadamard 门，它将逻辑 0 与 1 混合，对于大多数算法至关重要。团队使用名为态注入（state injection）的技术实现了该门：他们在第二个小码中制备一个特殊的资源态，将其相干地耦合到数据码，并用一个纯量子反馈装置取代通常的测量和纠正步骤。这种无需测量的逻辑 Hadamard 仅使用相干门和重置，但在设计上仍保持容错。

在编码比特上运行 Grover 的搜索

有了无需测量的遥传和一套通用门，研究人员在用八个物理离子编码的三个逻辑比特上实现了 Grover 搜索算法。Grover 算法是量子力学如何加速无序列表搜索的标志性例子，这里是对八个可能答案的搜索。团队将标准的 Grover 电路重新设计为仅使用他们可用的逻辑门——Hadamard、受控非（CNOT）和 CCZ——并在阱离子处理器上执行。在实验中，两个正确答案在一次运行中的总出现概率约为 40%。对于如此小的问题规模，这一结果略低于最佳经典策略，但模拟显示，对门保真度或比特相干性作出适度改进（在相关硬件中已被演示）即可把量子成功概率提升到超过经典极限。

这对量子机器的未来意味着什么

对非专业读者而言，主要信息是：可以在不不断中断测量——从而不打扰系统的情况下，执行可编程的、受错误保护的量子计算。通过展示在编码区块之间的无需测量的遥传、在紧凑的八比特码上构建一套通用逻辑门，并用该工具箱在逻辑比特上运行完整的 Grover 算例，这项工作为更快且更易扩展的量子处理器勾画了一条实用路径。随着硬件改进，这些想法可能有助于将早期实验室原型转变为在有意义任务上可靠超越经典计算机的机器，同时在计算过程中对缓慢且易出错的中途测量依赖更少。

引用: Butt, F., Pogorelov, I., Freund, R. et al. Demonstration of measurement-free universal logical quantum computation. Nat Commun 17, 995 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68533-x

关键词: 量子纠错, 容错量子计算, 阱离子比特, 无需测量的方案, Grover 搜索算法