在高于蒸馏阈值的 IBM 量子处理器上进行魔态注入

这对未来计算机为何重要

当今的原型量子计算机在理论上很强大，但在实践中非常脆弱：微小的不完美会迅速扰乱计算结果。本文探讨了在 IBM 量子硬件上驯服这种脆弱性的一个具体步骤。作者展示了如何以比以往更少的硬件资源可靠地制备特殊的“魔态”——运行全套量子算法所需的关键成分——并且其质量足够高以具有实际用途。他们的结果表明，真正的容错量子计算正从理论逐步走向工程现实。

为量子信息构建更安全的“家”

为保护量子信息，研究者将信息分散到许多物理量子比特上，按照一种称为表面码的结构模式进行编码。该码通过不断检查错误来保护信息，同时不直接窥视脆弱的量子态。此处使用的 IBM 设备将量子比特布置为“重六角形”（heavy-hexagon）拓扑，每个量子比特最多与三个邻居相连，这不同于教材中常见的四向网格。这种硬件布局使得标准表面码的绘制和操作更加复杂。作者采用了一种更节省资源的变体，称为旋转表面码，并将其调整以自然契合 IBM 的六角连接方式，与早期方法相比，在较大码距下大约将所需量子比特数减半。

使编码适配硬件

在典型教材中的表面码里，某些多量子比特码的检查项（称为稳定子）一次作用于四个量子比特。在 IBM 的重六角芯片上，由于连接受限，这一操作无法直接实现。作者通过将每个四量子比特的检查“折叠”成一系列更简单的两量子比特检查，使用额外的桥接量子比特作为中介来解决这一问题。随后他们再将该变换“展开”以恢复原始逻辑结构。在编码的外边缘，邻居较少的地方，他们精心设计了更小的两量子比特和一量子比特检查，使其仍然融入相同的整体节奏。在现实噪声模型下的模拟表明，这种旋转布局不仅保留了性能，还较之前的重六角代码略微提高了可容忍的物理错误率，阈值约为每千次操作三到四次错误。

注入一抹量子“魔法”

保护信息只是故事的一半。要运行真正的通用量子算法，计算机还必须执行某些无法仅由最安全、最容易实现的门构成的特殊操作。一种强有力的变通方法是制备“魔态”，即特殊的单量子比特态，通过巧妙的电路将它们引入可解锁这些困难操作。作者在 IBM 的 ibm_fez 处理器上使用由 25 个物理量子比特构成的距离为 3 的旋转表面码实现了称为魔态注入的方案。他们首先在编码补丁中心制备选定的单量子比特态，并在周围量子比特上制备简单态。然后运行适配重六角布局的一轮错误检测电路，最后以精心选择的基测量所有量子比特，以重建编码内部所产生的逻辑态。

筛选出最干净的结果

真实器件存在噪声，因此团队采用了一种称为事后选择（post-selection）的策略：仅保留那些错误检查信号看起来完全干净的实验运行，其余的都被丢弃。虽然这意味着他们只接受略多于三分之一的实验重复次数，但留下的样本质量很高。通过这些被选择的事件，他们重建了编码的逻辑态，并使用称为保真度的标准量子相似性度量将其与理想目标进行比较。在布洛赫球上广泛的目标态范围内，观察到的最低保真度约为 0.84，平均值接近 0.88。值得注意的是，两种在量子计算文献中非常重要的魔态，通常标为 H 和 T，被制备出的保真度分别约为 0.88 和 0.87——明显高于已知阈值，可通过进一步的“蒸馏”程序将其提升到更高质量。

这对明日量子设备意味着什么

通俗地说，作者表明 IBM 目前的量子硬件已经能够承载一个紧凑的纠错网格，该网格不仅能保护信息，还能可靠地制造出高级量子算法所需的特殊资源。他们的旋转设计节省量子比特、适应现实的连线约束，并将错误率降到关键理论极限以下。尽管仍有许多障碍需克服——尤其是改进测量、扩展到更大码距以及减少复杂的多量子比特误差通道——这项工作展示了高价值的纠错资源（如魔态）不再仅仅是理论上的存在。它们可以在今天的机器上被创建、验证并作为构建模块使用，使真正的容错量子计算又向前迈进了一步。

引用: Kim, Y., Sevior, M. & Usman, M. Magic state injection on IBM quantum processors above the distillation threshold. Sci Rep 16, 11189 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40381-1

关键词: 量子纠错, 表面码, 魔态注入, IBM 量子处理器, 容错量子计算