Comment on "Resilient Quantum Computation in Correlated Environments: A Quantum Phase Transition Perspective" and "Fault-tolerant Quantum Computation with Longe-range Correlated Noise"
Robert Alicki
最近的论文支持弹性量子计算的想法的评论。
Critical comments on the recent papers supporting the idea of resilient quantum computations are presented.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
继续探索
A leakage-resilient approach to fault-tolerant quantum computing with superconducting elements
超导量子比特虽然具有可扩展性和长相干时间的前景，但包含两个以上的能级，因此容易受到由计算子空间外部的布居泄漏产生的错误的影响。这种泄漏错误构成了超导量子比特容错量子计算（FTQC）的一个突出障碍。使用拓扑码的FTQC是基于多量子位稳定算子的顺序测量。在这里，我们首先提出了一个泄漏弹性的过程来执行重复测量的多量子比特稳定器运营商，然后使用这个计划作为一个成分，开发一个泄漏弹性的方法与超导电路的表面码量子纠错。我们的协议基于在每个周期结束时数据和辅助量子位之间的交换操作，需要对系统中的每个物理量子位进行读出和重置操作，从而防止发生持续泄漏错误。
Optimized noise-resilient surface code teleportation interfaces
本研究通过三种策略优化表面码传送接口，在高噪声环境下保持容错性，验证了模块化表面码架构的可行性。
Resilient Quantum Computation: Error Models and Thresholds
最近的研究表明，量子计算机可以比已知的经典算法更快地解决某些类型的问题。这些问题包括因式分解整数和某些物理模拟。实际的量子计算需要克服环境噪声和操作误差的问题，这些问题似乎比经典计算中严重得多，这是由于涉及许多自由度的量子叠加的固有脆弱性。在这里，我们表明，任意精确的量子计算是可能的，只要每次操作的错误是低于阈值。该结果是通过结合量子纠错、容错状态恢复、操作的容错编码和级联实现的。它在物理上对误差的现实假设下成立。
Error-resilient Monte Carlo quantum simulation of imaginary time
计算量子多体系统的基态性质是近期量子硬件的一个有前途的应用，在许多领域具有潜在的影响。传统的量子相位估计算法使用深电路，需要容错技术。近年来发展起来的许多量子模拟算法都是以不精确和变分的方式来利用浅电路。在这项工作中，我们结合量子蒙特卡罗和量子计算，提出了一个算法来模拟的时间演化和解决的基态问题。根据修正的Cauchy-Lorentz分布，对实时演化算子进行随机演化时间采样，可以计算实时演化中观测值的期望值。我们的算法接近精确的解决方案，给出了电路深度以所需的精度多项式增加。与量子相位估计相比，Trotter步数，即电路深度，可以小数千倍，以实现基态能量的相同精度。我们验证了弹性Trotterisation错误所造成的有限的电路深度在各种模型的数值模拟。结果表明，即使在没有完全容错的量子计算机的情况下，蒙特卡罗量子模拟也是很有前途的。
Roads towards fault-tolerant universal quantum computation
目前的实验正在向抗噪声逻辑量子比特迈出第一步。最重要的是，量子计算机不仅要存储信息，还要处理信息，容错的计算过程确保错误不会成倍增加和扩散。这篇评论比较了促进量子存储器到量子处理器的主要建议。我们比较魔态蒸馏，颜色代码技术和其他替代的想法，注意相对的资源需求。我们讨论了低维拓扑码的几个不可行的结果，并概述了在模块化架构中使用高维量子（LDPC）码的潜在回报。
Fault-tolerant interface between quantum memories and quantum processors
拓扑纠错码是保护量子计算不受噪声影响的有效方法。虽然一些代码提供适合于鲁棒量子存储器的高噪声阈值，但其他代码允许数据处理所需的简单门实现。为了利用不同拓扑码的特殊优势进行容错量子计算，必须能够在它们之间切换。在这里，我们提出了一个实用的解决方案，子系统晶格手术，它只需要在一个固定的布局两体近邻相互作用，除了不可或缺的误差校正。该方法可用于二维及二维以上任意拓扑子系统代码间量子信息的容错传输。特别是，它可以用来创建一个简单的接口，量子总线，噪声弹性表面码存储器和灵活的颜色代码处理器之间。
Noise-resilient phase estimation with randomized compiling
我们提出一种基于随机编译的抗噪声相位估计方法，通过将一般噪声转换为随机泡利噪声，在不增加量子资源开销的情况下显著降低相位估计误差，为容错量子计算前的相位估计应用铺平道路。
Resilient quantum gates on periodically driven Rydberg atoms
量子门的容错实现是实现量子计算的前提之一。里德伯原子平台是实现量子计算最有希望的候选平台之一。我们提出在里德伯原子上实现一个受控的$Z$门，其中一个调幅场被用来诱导里德伯反封锁。通过调节振幅调制场可以大大增强门对里德伯-里德伯相互作用涨落的鲁棒性。此外，我们在靶原子上引入Landau-Zener-Stückelberg跃迁，以提高门对门时间偏差和脉冲幅度漂移的恢复能力。在合理的实验参数下，可以实现由原子衰变、原子间偶极-偶极力和多普勒效应引起的低保真度误差。最后，我们将门方案推广到多量子比特的情况下，弹性多量子比特相位门可以在一个步骤中获得，随着量子比特数量的增加，门时间不变。
Fault tolerant quantum data locking
量子数据锁定是一种量子通信原语，它允许使用短密钥来加密更长的消息。它保证了信息理论上的安全性，以对抗具有有限量子存储器的对手。在这里，我们提出了一个量子数据锁定协议，采用伪随机电路组成的克利福德门，这是更容易实现容错比通用门。我们表明，信息可以被加密成$n$ -量子比特码字使用顺序$n - H_\mathrm{min}(\mathsf{X})$秘密位，其中$H_\mathrm{min}(\mathsf{X})$是最小熵的纯文本，和最小熵小于$n$帐户的信息泄漏给对手。作为应用，我们讨论了一种对量子计算机输出进行加密的有效方法。
Rabi-error and Blockade-error-resilient All-Geometric Rydberg Quantum Gates
本文提出一种在控制原子和目标原子上分别采用非绝热与绝热几何操作的全几何 Rydberg 量子门方案，显著提升对 Rabi 误差和阻塞误差的鲁棒性，并数值验证其可行性。
Strong and noise-tolerant entanglement in dissipative optomechanics
研究耗散光力学系统中的量子纠缠，发现耗散耦合比相干耦合产生更强且抗噪声的纠缠，为构建强鲁棒量子纠缠提供了新途径。
Noise-Resilient Quantum Metrology with Quantum Computing
本文提出利用量子计算机直接处理量子数据以优化抗噪声量子计量，通过金刚石氮-空位中心实验和超导量子处理器模拟验证了该方法能提高传感精度与灵敏度，克服经典数据加载瓶颈。
Fault-Tolerant Dissipative Preparation of Atomic Quantum Registers with Fermions
我们提出了一个容错加载方案，以产生一个阵列的费米子在光晶格的高保真度所需的应用程序中的量子信息处理和建模的强相关系统。费米子的冷库扮演着双重角色，作为通过拉曼过程加载到晶格中的原子的来源，以及作为晶格原子的共振冷却的热浴。原子最初在每个晶格位置被转移到激发运动态，然后衰变到运动基态，在库中产生粒子-空穴对。转移到基态运动能级的原子不再耦合回库，并且运动基态中的双占据位点被泡利阻塞阻止。该方案与光抽运有很强的概念联系，并且可以扩展到加载原子的高保真图案。
Simple and loss-tolerant free-space QKD using a squeezed laser
考虑了一种自由空间信道上的连续变量（CV）量子密钥分发（QKD）协议，该协议比典型的CV QKD协议更简单、更健壮.它使用明亮的激光，在振幅正交中压缩和调制，以及自零差检测。我们考虑的情况下，视线是经典的监测，以检测主动窃听，所以我们可以假设一个被动窃听。在此假设下，我们分析了量子密钥分配协议在可组合的有限大小体制下的安全性。适当地将压缩激光调制到散粒噪声水平，可以完全消除对窃听者的信息泄漏，也可以消除幅度正交中信道的相干性引起的噪声。在这些条件下，不再需要估计窃听者的信息。该协议对调制噪声具有很强的鲁棒性和很高的容错性，这使得它成为基于卫星的连续变量量子通信的一个有希望的候选者。
Noise-tolerant tripartite entanglement and quantum coherence via saturation effects
本研究提出一种含可饱和增益/损耗的光机耦合方案，利用饱和效应显著提升三方纠缠与量子相干的热鲁棒性，为室温量子应用提供新途径。
All-optical Implementation of Generalized Quantum Teleportation
提出一种容错的全光前馈架构，实现任意线性运算的广义量子隐形传态，通过消除光电转换提高吞吐量并降低噪声。
Fault-tolerant preparation of approximate GKP states
Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）状态似乎是在将量子比特编码到振荡器中时纠正错误的主要候选者之一。然而，GKP态的制备仍然是一个重大的理论和实验挑战。到目前为止，还没有提供容错准备GKP状态的明确定义。如果不仔细考虑，少量的故障可能导致大的不可纠正的移位错误。在提出了一个度量比较近似GKP状态，我们提供了严格的容错定义，并介绍了一个容错相位估计协议，准备这样的状态。容错协议使用一个标志量子位并且仅接受状态的子集，以防止测量读出错误导致大的移位错误。然后，我们将展示如何使用电路QED协议可以实现。在这样做时，我们推导出的解析表达式描述的非线性色散位移和克尔非线性的领先阶的影响。使用这些表达式，我们表明，以减轻非线性色散位移和克尔项将需要协议的时间尺度上实现四个数量级以上的时间尺度相关的协议的物理动机参数。尽管有这些限制，我们数值表明，一个子集的容错相位估计协议的接受状态保持良好的纠错能力，即使在存在噪声。
Geometric quantum computation with NMR
量子信息处理设备的基本组成部分的实验实现，即容错量子逻辑门，需要条件量子动力学，其中一个子系统经历依赖于另一个子系统的量子态的相干演化。特别地，子系统可以获取条件相移。在这里，我们考虑一个新的情况下，这一阶段是几何而不是动力学的起源。由于条件几何（Berry）相位仅取决于所执行的路径的几何形状，因此其对某些类型的错误具有弹性，并且提供了执行量子门的固有容错方式的潜力。核磁共振（NMR）已经被用来演示简单的量子信息处理和Berry相位。在这里，我们报告了一个NMR实验，实现了一个有条件的贝瑞相位，从而控制相移门。这构成了第一个基本的几何量子计算。
Noise-Resilient Quantum Dynamics Using Symmetry-Preserving Ansatzes
我们描述并演示了一种在小型、嘈杂的通用量子计算机上计算量子动力学的方法。这种方法依赖于“重启”动力学的思想;在量子计算机上至少采取一个近似的时间步长，然后优化参数化的量子线路模拟器以产生一个很好地近似时间步长结果的状态。然后从优化状态重新开始模拟。通过将解的形式的知识编码在矩阵中，例如确保矩阵具有适当的哈密顿对称性，优化的矩阵可以从退相干的影响中恢复。这允许量子动力学远远超出底层硬件的标准门深度限制，尽管会引起一些优化误差、模拟器的质量和典型的时间步长误差。我们证明了这种方法上的Aubry-André模型与相互作用在半填充，这表明有趣的多体局域化效应在长时间限制。我们的方法是能够进行高保真度的哈密顿模拟数百的时间步长比标准的特罗特方法。这些结果展示了使用小型有损耗设备来计算量子动力学的途径。
Highly resilient, error-protected quantum gates in a solid-state quantum network node
本研究提出PUDDINGs框架，通过抗幅度和频率误差的量子门设计，在固态系统中实现高保真度的量子门操作，达到每门误差1.2×10⁻⁵的记录水平。
Low-Depth and Noise-Resilient Quantum State Preparation for Partial Differential Equations via Virtual Rz
针对NISQ和早期FTQC硬件，提出了支持虚拟Rz的低深度量子态制备电路，可实现高理想与噪声保真度，优于精确态制备基线。
Below-threshold execution of fault-tolerant ripple-carry addition on a trapped-ion quantum computer
该研究在Quantinuum的Helios-1囚禁离子量子计算机上，结合检错码与算法校验实现容错行波进位加法，使1位加法逻辑失败率大幅降低，多位加法器性能提升，长加法器达阈值以上执行。
Semi-Clifford operations, structure of $\mathcal{C}_k$ hierarchy, and gate complexity for fault-tolerant quantum computation
隐形传态是容错量子计算中的一个关键环节，对其容量的全面理解对于实现最优容错体系结构是非常重要的。众所周知，稳定器码支持一组自然的门，这组门比任何其他门都更容易通过隐形传态实现。这些门属于Gottesman和Chuang（Nature \textbf{402}，390）提出的所谓的$\mathcal{C}_k$层次。此外，一个子集的$\mathcal{C}_k$门，称为半克利福德操作，可以实现一个更简单的架构比传统的隐形传态设置（物理修订\textbf{A62}，052316）。然而，$\mathcal{C}_k$中门的精确设置仍然未知，即使是对于固定数量的量子位$n$，这也使我们无法确切地知道隐形传态的能力。本文从半Clifford运算的角度研究了$\mathcal{C}_k$的结构，该运算通过共轭将$n$ -量子位泡利群的至少一个极大阿贝尔子群发送到另一个极大阿贝尔子群中。我们发现，对于$n=1,2$，所有的$\mathcal{C}_k$门是半Clifford，这也是正确的$\{n=3,k=3\}$。但是，对于$\{n>2,k>3\}$来说，情况不再如此。为了衡量这种传送原语的能力，我们引入了一个称为“传送深度”的量，它表征了平均需要多少传送步骤来实现给定的门。通过将门分解为半Clifford $\mathcal{C}_k$门和半Clifford操作之外的$\mathcal{C}…
Path-Independent Quantum Gates with Noisy Ancilla
对于一个近乎孤立的量子系统的普遍控制来说，辅助系统往往是必不可少的。然而，辅助系统通常更容易受到环境噪声的影响，这限制了这种辅助量子控制的性能。为了解决这个挑战的辅助诱导退相干，我们提出了一个通用的框架，集成了量子控制和量子纠错，使我们可以实现强大的量子门弹性辅助噪声。介绍了容错量子门在辅助错误下的路径独立性判据。作为示例，为具有硬件高效设计的超导电路提供路径无关门。
Drift-resilient mid-circuit measurement and state preparation error mitigation for dynamic circuits
针对动态电路中途测量误差及现有方案易受时间噪声漂移影响的问题，提出基于奇偶校验噪声放大的漂移弹性误差缓解协议，搭配重置方案适配不同硬件，结合Layered-KIK实现端到端误差缓解，可提升QEC效果并拓展应用场景。
Geometric Quantum Computation
我们详细描述了一个通用的策略，用于实现两个自旋之间的条件几何相位。结合单自旋操作，这种简单的操作是量子计算的通用门，因为任何幺正变换都可以仅使用单自旋操作和条件相移以任意精度实现。因此，量子几何相位可以构成任何量子计算的基础。此外，由于诱导条件相位仅取决于自旋执行的路径的几何形状，因此它对某些类型的错误具有弹性，并提供了执行量子计算的自然容错方式的潜力。
A Quantum Algorithm for Network Reliability
构建一个能够抵御组件故障的网络至关重要。我们获得电力和电信或物联网都取决于强大网络提供的不间断服务。计算网络可靠度$R$是$\sharp$ P-完全的，对于大中型网络很难精确计算。在这里，我们提出了一个明确的，电路级实现的量子算法，计算$R$。我们的算法需要$O(EV/ε)$门操作和$O(E)$量子位，其中$V$和$E$是图中节点和边的数量，$ε$是可靠性估计中的不确定性。这构成了一个显着的多项式加速目前已知的最佳经典方法。我们进一步提供量子门计数，相关的预容错和容错制度，足以计算$R$。
Adaptive Control of Stochastic Error Accumulation in Fault-Tolerant Quantum Computation
本文提出通过自适应控制策略解决量子容错中随机误差累积问题，采用Ch-DQN算法跟踪噪声演变，抑制危险变量累积，提升逻辑生存时间。
Experimental Realization of Nonadiabatic Holonomic Quantum Computation
由于其几何性质，完整量子计算对某些类型的控制误差是容错的。完整量子计算虽然早在十多年前就已提出，但其实验实现仍然是一个公开的挑战。在这封信中，我们报告的第一个实验演示的非绝热完整量子计算在液体NMR量子信息处理器。两个非对易完整单量子比特门，绕x轴和z轴的旋转，以及两个量子比特完整控制非门，通过非线性地演化工作量子比特和辅助量子比特来实现高保真度。这些通用基本门在非绝热量子计算中的成功实现证明了这种快速而有弹性的量子计算范例的实验可行性和迷人的特征。
Error-corrected gates on an encoded qubit
为了解决经典难题，量子计算机需要对噪声和退相干的影响具有弹性。在这种容错量子计算机中，必须实时检测和纠正噪声引起的错误，以防止它们在组件之间传播。当应用量子门时，当组件之间的相互作用可能导致错误在整个系统中快速传播时，这一要求尤其相关。然而，大多数容错架构中涉及的大量开销使得实现这些系统成为一项艰巨的任务，这促使人们寻找硬件高效的替代方案。在这里，我们提出了一个多层次的辅助transmon的腔编码的逻辑量子比特，是容错的退相干方面的辅助和编码量子比特制定的门。在存在辅助错误的情况下，我们通过实时检测这些错误并应用适当的校正来保持编码量子位的纯度。我们表明，自然发生的退相干的存在下，减少了两个因素的逻辑门错误，并证明弹性对辅助位翻转和相位翻转通过观察增加能量松弛的门错误的六倍抑制，和四倍抑制，增加失相噪声。结果表明，玻色子逻辑量子比特可以被易错的辅助量子比特控制，而不会继承辅助量子比特的劣性能。因此，纠错辅助门是实现玻色子量子比特完全容错处理的重要一步。
Noise-Resilient and Reduced Depth Approximate Adders for NISQ Quantum Computing
本文面向 NISQ 量子计算提出五种抗噪声且降低深度的近似量子加法器设计，利用直通和单 CNOT 门等低深度方案，在 IBM Qiskit 噪声实验中显著提升保真度。
Observation of Entanglement-Dependent Two-Particle Holonomic Phase
完整相--几何相和拓扑相--长期以来一直是物理学的一个有趣的方面。它们无处不在，从粒子物理学的观测到容错量子计算的应用。然而，他们在共享真正量子相关的粒子中的探索缺乏观测。在这里，我们实验证明了两个纠缠光子的完整相位局部演化，但产生了一个依赖于纠缠的相位。我们观察到它的过渡从几何拓扑粒子之间的纠缠是从零到最大的调谐，并发现这个阶段的行为更有弹性的演化变化，随着纠缠的增加。此外，我们从理论上证明了完整相可以直接量化两个粒子之间的量子关联的量。我们的结果为多粒子纠缠量子系统中完整现象的观测开辟了一条新的途径。
Sending or not sending: twin-field quantum key distribution with large misalignment error
基于双域量子密钥分发的新思想，提出了一种发送或不发送的双域容错量子密钥分发协议。我们的协议可以访问一个安全的距离超过700公里，即使错位错误率为$15\%$。在零对齐错误的情况下，我们的协议可以超过800公里的安全距离。感谢TF-QKD的新颖想法！
Averaging gate approximation error and performance of Unitary Coupled Cluster ansatz in Pre-FTQC Era
本文提出将Clifford+T分解误差建模为去极化噪声，以更准确地估计Pre-FTQC时代量子电路的分解误差，并通过UCC拟设的数值模拟验证了模型的有效性。
Fast holonomic quantum computation on superconducting circuits with optimal control
量子演化中引入的几何相位具有内在的抗噪声特性，因此可以在许多鲁棒量子操纵任务中找到应用。本文利用三能级量子系统的共振相互作用，提出了一种快速可行的非绝热非阿贝尔几何相位超导电路普适量子计算方案。在我们的方案中，任意单量子位量子门可以实现在一个单环的情况下，通过成形的振幅和相位的两个驱动微波场谐振耦合到transmon设备。此外，非平凡的两量子比特门也可以实现与辅助transmon同时耦合到两个目标transmon以有效的谐振方式。特别是，我们的建议可以兼容各种最优控制技术，这进一步增强了量子操作的鲁棒性。因此，我们的建议代表了一个有前途的方式容错量子计算的固态量子线路。
Noise-tolerant quantum speedups in quantum annealing without fine tuning
量子退火是量子计算的一种强有力的替代模型，即使在没有纠错的情况下，它也可以在存在环境噪声的情况下取得成功。然而，尽管付出了巨大的努力，对于这些系统，还没有量子加速（相对于现有技术的经典算法）的结论性证明，并且量子优势的严格理论证明通常依赖于系统的至少一些方面中的指数精度，非物理资源保证被随机噪声加扰。在这项工作中，我们提出了一种新的量子退火变体，称为RFQA，它可以在面对噪声和适度的控制精度时保持可扩展的量子加速比。具体来说，我们考虑修改的通量量子位为基础的量子退火，其中包括随机的，但相干的，低频振荡的横向场项的方向作为系统的演变。我们表明，这种方法产生了量子加速寻找基态的Grover问题和量子随机能量模型，因此应该广泛适用于其他困难的优化问题，可以制定为量子自旋玻璃。此外，我们表明，这种加速应该是弹性的两个现实的噪声通道（$1/f$般的局部电位波动和局部加热与有限温度浴相互作用），和另一个噪声通道，浴辅助量子相变，实际上加速算法，可能超过其他的负面影响。我们考虑的修改有一个简单的实验实现，可以用当前的技术进行探索。
Constant-Overhead Injection into Quantum Codes
该研究构造了首个常数开销的容错量子态注入方案，通过高维超图积码实现常数深度和线性物理开销，并级联内码以应对均匀噪声。
Single spin qubit geometric gate in a silicon quantum dot
针对硅量子点单自旋量子比特的噪声干扰问题，引入几何量子计算提升控制保真度，发现热效应掩盖其抗噪特性，优化后有望实现复杂噪声下高保真量子控制。
Noisy Quantum Learning Theory
研究噪声量子学习理论，提出噪声BQP复杂性类，证明噪声对量子学习优势的影响，并探讨噪声鲁棒物理结构在恢复量子学习优势中的作用。
Complete description of fault-tolerant quantum gate operations for topological Majorana qubit systems
在量子计算的主要威胁列表中，量子退相干是最大的威胁之一，因为它会对计算系统内的环境产生损失，而这些损失无法通过纠错方法恢复。这些方法需要假设环境相互作用迫使量子比特态成为量子比特本征态的某种线性组合。实际上，环境导致量子位进入混合状态，其中原始状态不再可恢复。一个有前途的解决方案，这个问题的计算状态的基础上的低躺能量激发拓扑材料。这些状态的存在是由一个全局参数内的哈密顿，防止计算状态耦合本地和散肩保护。在本文中，量子比特是基于非局域的，拓扑马约拉纳费米子（MF），和门操作产生的交换或编织的位置说MF。这种门操作的算法计算是众所周知的，但是，相反的门到编织计算目前还不发达。此外，因为可以从许多不同的可能量子位定义中进行选择，所以从计算到计算的结果门操作看起来不同。这里，为了逻辑流程起见，对两个和四个MF情况的计算进行了概括。这组门是理解和构造六-MF事例的基础。使用这些，通过完全概括可能的量子位定义之间的门和变换的列表来进行系统的完整表征。一个完整的描述这个系统是可取的，并有望为未来的迭代拓扑量子位。
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