科技日報記者 張夢然

日本東京理科大學團隊在量子糾錯技術(shù)方面取得重要突破：開發(fā)出一種高效且可擴展的量子低密度奇偶校驗（LDPC）糾錯碼，在包含數(shù)十萬個邏輯量子比特的系統(tǒng)中仍保持極高的穩(wěn)定性，性能接近理論界限。這一成果為實現(xiàn)大規(guī)模容錯量子計算提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，有望推動量子計算機在量子化學、密碼分析和復雜優(yōu)化等領(lǐng)域的實際應用。

目前，量子計算機已能操控數(shù)十個量子比特，但要解決具有現(xiàn)實意義的問題，往往需要數(shù)百萬甚至更多穩(wěn)定可靠的邏輯量子比特。由于量子態(tài)極為脆弱，易受到環(huán)境干擾而產(chǎn)生錯誤，且錯誤會隨系統(tǒng)規(guī)模擴大而迅速累積，因此必須依賴高效的糾錯機制來維持計算的準確性。然而，現(xiàn)有的量子糾錯方法普遍存在資源消耗大、效率低的問題，通常需用大量物理量子比特編碼出少量邏輯量子比特，嚴重制約了系統(tǒng)的擴展能力。

更深層次的挑戰(zhàn)在于，許多現(xiàn)有糾錯碼存在編碼率低、性能提升空間有限等問題。此外，在高精度運行區(qū)域常出現(xiàn)性能停滯，與理論上可達到的最佳糾錯極限——即哈希界限，仍有較大差距。同時，多數(shù)方案在完成主解碼后還需進行復雜的后續(xù)處理，進一步增加了運算負擔。

此次團隊成功克服了這些難題。他們提出了一種新的構(gòu)造方法，首先設計出具有優(yōu)良糾錯特性的原型LDPC碼，并引入基于仿射排列的技術(shù)手段，增強碼結(jié)構(gòu)的多樣性，有效避免了影響解碼效果的短周期問題。不同于傳統(tǒng)在二元有限域上定義的LDPC碼，新方案采用非二元有限域構(gòu)建，使得每個編碼單元能承載更多信息，從而提升了整體糾錯能力。

隨后，團隊將這些原型碼轉(zhuǎn)化為一種CSS型量子糾錯碼，并結(jié)合改進的和積算法，發(fā)展出一種高效的聯(lián)合解碼策略。該方法能夠同時處理位翻轉(zhuǎn)和相位翻轉(zhuǎn)兩類基本量子錯誤，而以往多數(shù)方案只能逐類糾正，效率較低。

通過大規(guī)模數(shù)值模擬驗證，這種新型糾錯碼在包含數(shù)十萬個邏輯量子比特的系統(tǒng)中誤碼幀率可達10-4量級，性能非常接近哈希界限。尤為重要的是，其解碼所需的計算復雜度與物理量子比特數(shù)量成正比，意味著隨著系統(tǒng)規(guī)模增大，資源開銷的增長是線性可控的，具備良好的工程可行性。