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研究突出了
技术视角:破译错误以降低量子计算成本
量子计算机也许有一天会颠覆密码学，帮助设计新材料和药物，并加速许多其他计算任务。量子计算机的内存是一个量子系统，能够同时处于许多不同位串的叠加状态。它可以利用量子干涉来运行独特的量子算法，这些算法可以比常规的经典计算机更快地解决一些(但不是所有)计算问题。在过去的十年里，构建量子计算机的实验努力取得了巨大的进展，导致了今天拥有超过50个量子比特(“量子位”)的设备。政府和像谷歌、IBM和微软这样的大型科技公司，以及大量的初创公司，已经开始向该领域投入大量资金，希望成为第一个拥有有用量子计算机的公司。
然而，在我们拥有能够完成这里描述的任务的大规模量子计算机之前，还存在许多障碍。虽然硬件错误在经典计算机中很罕见，但它们将成为量子计算机的一个重大复杂性，部分原因是量子系统很小，因此很脆弱，部分原因是观察量子系统的行为会使其崩溃，破坏区分量子和经典的叠加态。即使是单个经过的原子也能与量子比特相互作用，产生相关性，从而消除量子比特的量子相干性。
因此，量子纠错码对于构建大型量子计算机以及描述如何在编码的量子位上执行计算的容错协议都是必不可少的。最流行的容错协议是基于被称为“表面码”的量子码家族。表面编码的工作原理是将计算机的量子位排列成二维，并施加局部约束，因此编码的信息被分散开来，如果不接触许多量子位，就无法访问或更改。表面码是被称为“低密度奇偶校验”码(简称量子LDPC码)的一类更广泛的码的一个例子。
表面代码有许多可取的特性:它们可以很容易地在二维空间中布局，它们容忍较高的错误率，并且在计算过程中可以直接检查局部约束。不幸的是，它们还需要许多额外的量子位来工作，因此值得考虑其他代码。更通用的LDPC码像表面码一样有局部约束，但具有更复杂的连通性，有些比表面码效率高得多。特别是，一种基于被称为“量子扩展码”的编码的容错协议，原则上可以将容错的量子比特成本降低几个数量级。
然而，为了使代码族真正有用，我们需要一种很好的方法来破译它提供的关于系统中错误的信息。在设计良好的量子纠错代码中，错误会导致违反某些局部约束。未满足的约束的列表被称为“错误综合症”，从它可以推断出错误的性质。有可能，但未必容易。对于某些代码来说，确定发生了哪些错误在计算上是一个困难的问题。容错增加了额外的复杂性，因为在确定错误综合征时，由于不完善的测量，错误综合征本身可能是错误的。
经典LDPC码有快速综合征解码算法，但遗憾的是，这些算法在量子LDPC码上失败。这是因为量子LDPC码表现出一种被称为“简并性”的独特量子现象:多个不同的错误可以以相同的方式作用于码字，这使经典算法感到困惑。需要一种新的方法，在接下来的论文中，作者在自己和其他人早期工作的基础上，提出了一种算法，可以快速推断量子扩展器代码中的错误，即使该综合征是部分错误的。
使算法工作的关键是要同时考虑多个量子位。该算法不是单独处理每个单独的量子位，而是寻找构成错误的一小组量子位;将量子位集作为一个单元来考虑，解决了简并性带来的模糊性。然后，作者使用一个关于渗透的结果来表明错误只出现在小集群中，这意味着许多关于错误的局部决策可以独立执行，甚至可以同时执行。因此，该算法不仅可以工作，而且具有高度的并行性，这使得它可能比用于表面代码综合征解码的算法更快。
然而，要验证扩展器代码是否真的有用，还需要做更多的工作。我们需要尺寸合理的好代码，以及在编码的量子位上执行容错算法的更好方法。我们需要更好地理解扩展器代码能容忍多少错误，以及如何处理远程交互的需求。如果这些问题能够得到解决，在大型量子计算机中，扩展码将是表面码之外令人兴奋的容错方案。
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