离子阱成了！IonQ首次实现qLDPC码盈亏平衡

在量子计算领域，“盈亏平衡点”是一个被反复提及的关键指标。

它表示，在纠错后，逻辑量子比特的存储寿命要比所组成的单个表现最好的物理量子比特的存储寿命要更长。一旦跨过这个平衡点，量子纠错就真正开始“盈利”，纠错带来的收益超过了引入额外物理资源带来的代价。

近日，IonQ公司的研究人员在预印本arXiv上公布了一项重大进展，他们第一次在量子低密度奇偶校验码上实现了盈亏平衡。

IonQ公司的研究团队充分利用离子阱量子计算机的架构灵活性，在单台设备上无需重构硬件，同时演示了9种不同的连接性需求的量子纠错码。

实验包含了3类量子纠错码：量子低密度奇偶校验码、拓扑码和级联码。其中，表现最好的逻辑量子比特相干时间为3.95秒，超过了物理量子比特3.3秒的平均相干时间。

这一工作首次探索了光-亚稳态-基态（OMG）的架构，实现了可寻址的电路中途测量和比特重置。在该架构中整个实验不需要离子运输，也不需要专用冷却离子。

这一成果是IonQ大规模量子架构的又一重大突破，也预示着一种低开销、高效率的容错量子计算新范式正在走向现实。

为什么需要更好的纠错码？

量子比特比想象中的还要脆弱。环境噪声、门操作不完美，甚至遥远宇宙的射线都可能破坏量子态。要实现大规模容错量子计算机，量子纠错是必经之路。

表面码是目前最成熟的量子纠错方案。包括谷歌和IBM在内的巨头们都在这条路上发力。此前，谷歌就在表面码上取得了历史性进步，初步证明了增加物理量子比特的数量确实能降低逻辑错误率。

表面码的优点是只需要近邻量子比特之间相互作用，易于用二维芯片来实现。但它的缺点就是资源开销太大。每个逻辑量子比特要几百个物理量子比特，这意味着百万量子比特级别的机器才能运行有实用价值的算法。

这正是qLDPC码获得关注的原因所在。这种码字的编码效率远远地高于表面码，每个逻辑量子比特对应的物理量子比特大幅减少。

理论上，采用qLDPC码的情况下资源开销可降低1个量级。但问题在于，qLDPC码是需要非局域的量子比特连接的，而传统二维超导处理器是无法原生提供的。此前浙江大学、清华大学联合团队就专门定制一款带长程耦合器的电路才演示了一种BB码。

因此，寻找一种较为“简单”的不需要复杂物理接线就能实现全连接的硬件平台，就是破局之道。

OMG架构

研究人员在一台拥有40个¹³³Ba⁺离子的机器上，利用离子阱自身的“全连通性”，在一台机器上不用做任何硬件上的改造，就实现了3类截然不同的纠错码：qLDPC码、拓扑码、级联码。

这项工作的关键技术是一套完整的OMG架构实现。

OMG是光量子比特、亚稳态量子比特、基态量子比特这3种编码方式都共存于同一离子物种内。研究采用的波长是1762纳米的光束对亚稳态能级进行精确控制，实现量子比特能在不同流形之间相干穿梭。

图：离子阱量子纠错实验架构

传统离子阱做电路中测量需要离子输送或专用冷却离子，前者要花去很多时间，而后者可能会占据多达一半的离子资源。而IonQ的OMG架构避免了这些问题。一切操作都在固定离子链上进行，且用于测量的辅助量子比特也起到了交感冷却的作用，不再需要另外的冷却离子。

测量过程的物理机制是这样的：所有离子先被全局光束“搁置”到亚稳态D₅/₂流形中保护空闲量子比特不受干扰。

然后用可操控的拉曼光束有选择地将要测量的辅助量子比特“解除搁置”回到基态。再用493纳米和650纳米光束进行荧光探测：亮表示测量结果是|1⟩态，暗表示测量结果是|0⟩态。

这套方案每测一次数据能同时获得两种信息：一个是测量结果本身，另一个是“校验位”——要是不该发光的量子比特发光了，该发光的辅助量子比特不发光了，那说明某个离子已经从正确的量子态流形“泄漏”出来了。研究人员通过后选择剔除了这些异常事件，将错误降低了。

三个纠错码族、九种量子纠错码

研究团队直接在同一台没有做任何硬件改动的40比特设备上，跑通了9种对连接要求完全不同的纠错码。具体是：

-qLDPC码：BB5 [[18,4,3]]、[[24,4,4]]、[[30,4,5]] 及 GB4 [[16,2,4]]、[[26,2,5]]

-拓扑环面码：标准环面码[[18,2,3]]及旋转变体[[16,2,4]]

-级联码：自嵌套[[4,2,2]]→[[16,4,4]]

研究团队进行了系统的量子存储器实验。对每一个量子纠错码，先制备逻辑态（X本征态或Z本征态），然后重复执行1到6个综合征周期，最后破坏性读出所有物理量子比特，每个实例收集了约48000样本数据，然后用束搜索解码器评估此实例中是否发生了逻辑错误。

测试结果是逻辑错误率大幅优于超导基线。与浙大、清华联合团队在超导平台上实现的BB6 [[18,4,4]]码横向比较，IonQ的BB5 [[18,4,3]]码X本征态、Z本征态上的逻辑错误率分别降低了9倍和4倍。

之前的超导该码每逻辑比特每周期逻辑错误率在9%左右，IonQ压缩近一个数量级。这也意味着对于同样规模的码，离子阱实现的保真度更高。

盈亏平衡验证方面，盈亏平衡点达到。定义逻辑量子比特寿命为所有单比特初态制备下1/e存活时间，将其与物理比特寿命T₂（测得¹³³Ba⁺T₂=1.1±0.3 s，所对的相干寿命约为3.3 s）相比较。

结果显示，除了[[16,4,4]]级联码外，其它码的逻辑寿命处于误差棒范围内，和物理比特相当。最优实例是GB[[26,2,5]]码，逻辑量子比特寿命为3.95±0.68 s，超过物理比特的3.3±0.9 s，第一次在qLDPC码上出现逻辑比特寿命大于物理比特的实例，和Google Willow芯片表面码盈亏平衡演示形成不同技术路线的重要呼应。

图：qLDPC码量子存储实验结果

最后实证了硬件的强大通用性。拓扑环面码和级联码也在同平台上成功运行并达到了预期保护效果，证实全连Raman门+OMG中途测量架构对不同连接拓扑的纠错码都有良好适配性，无需为每种码重新设计硬件。

通向实用级容错计算的路已被探明

这项工作的意义首先就是验证了qLDPC码的工程可能性。之前的qLDPC码虽然在理论上有优势，即被证明高效，但是实验较慢，主要是连接性要求的问题。离子阱天然的全连接性，是解决这个问题的理想平台。

可见，要想短时期用相对有限的物理资源实现商业规模的容错计算，qLDPC码是一条可行的通道，且离子阱架构目前是最合适走这条通道的载体之一。

其次，OMG架构的成功演示为离子阱量子计算带来了新的思路和技术手段。没有输运、没有专用冷却离子、可以并行测得多达20个辅助量子比特……这些特性使得系统又朝可扩展性迈进一大步。

当然，这项研究仍处于早期阶段。现在做的只是一个量子存储器的实验，仅验证了静态存储信息的保护能力，尚未涉及逻辑门操作。如果要做真正的容错量子计算，还需要实现逻辑量子比特之间的高保真度的逻辑门运算——这将是下一步要做的内容。

不过，这项研究也让我们距离真正容错、真正可扩展的量子计算机又近了一步。

https://arxiv.org/abs/2606.06455