哈佛大学提出量子纠错新架构，削减资源开销至十分之一

　　近期，哈佛年夜学与美国中性原子量子计较公司QuEra结合提出了一种“横向算法容错(Transversal Algorithmic Fault Tolerance)”的量子纠错新架构，可以将量子纠错的时间开支升高一个数目级以上。相干事情以“Low-Overhead Transversal Fault Tolerance for Universal Quantum Computation”为题颁发正在国际学术期刊《天然》（Nature）上^[1]。

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配景先容

　　量子计较依托量子态的叠加、纠缠等特征可以完成远超经典计较的算力。然而，因为量子态的懦弱性，人们不能不应用多个物理比特去编码一个逻辑比特，并正在计较历程中一直丈量、改正已有不对，从而抵当各类噪声的滋扰。这一历程被称作量子纠错。

　　量子纠错虽然保障了靠得住性，却带来了显著的时间与资本开支。例如，关于名义码（surface code）量子纠错码，应用传统纠错计谋去破解2048位的RSA密钥，梗概需求万万级另外物理比特波动运转五到六天^[2]，这是一个极具应战且开支极年夜的使命。

　　针对上述应战，研究职员经由过程联合横向操作（transversal operations）与联系关系解码（correlated decoding）两项焦点技能，提出了横向算法容错的架构，并应用名义码为例，从实践以及数值摹拟两方面证实了其优异的容错机能。

横向操作

　　名义码是一种编码正在二维物理比特阵列上的纠错码，假定阵列边长为d，则该纠错码可甚至多容忍d个物理不对的产生，故又称d为码距。要是将两个名义码各自的物理比特逐一履行量子门操作，可以间接完成两个名义码之间的等效的逻辑门操作。这类同时操作的要领就是横向操作。下图展示了一个正在中性原子阵列上完成的横向纠缠门，可见横向操作直观、简练，并行性高。

图1. 横向纠缠门操作示用意^[3]

联系关系解码

　　传统的量子纠错要领要求每一个子路线（如图2(a)红框局部）保障自力容错性，需求对不对举行逐个丈量息争码（病症提取），例如名义码需求O(d)轮。而该研究事情新提出的联系关系解码再也不要求子路线的精确，而是经由过程结合阐发丈量成果，仅仅确保整个路线的逻辑输入精确，如许所需的丈量轮数就远小于d。这类立异的架构将纠错耗时从O(d)升高到了O(1)。

图2. (a) 传统解码体式格局需求d轮病症提取。(b) 综合解码体式格局只要要1轮病症提取

容错性论证以及数值摹拟

　　提出横向操作+联系关系解码的横向算法容错架构后，研究职员论证了该要领的容错性。详细来讲，正在联系关系解码中只获得了体系的局部信息，要是泛起丈量不对或纠错掉误，就会招致正在多轮丈量中泛起先后纷歧致的环境（如图3（c））。对此，注重到不管是编码操作照旧横向门操作，其产生的不对正在路线中的流传都是可以追溯的，是以可以经由过程内部的经典计较机靠得住揣度出逻辑丈量成果，从而举行靠得住的联系关系解码（如图3（d）），如许就能够完成横向门操作+综合解码的总体容错性。

图3. 经由过程内部阐发完成多轮纠错的先后一致性，进而完成容错运算

　　为了进一步证实该容错方案的有用性，研究职员以名义码为例，用含噪模子对该横向算法容错架构举行了数值摹拟。以下图所示，该架构下名义码有较着的不对阈值，当物理比特不对率p<p_th≈0.85%时，码距越年夜则逻辑不对率越低（如图4（a）），而横向算法逻辑不对率随码距呈指数降落（P_L~exp⁡(-Θ(d))（如图4（b）），证明了该架构是有用容错的。

图4. 对横向容错算法做数值摹拟。(a) 右方交织处为阈值p_th≈0.85% (b) 横向操作不对率随码距呈指数降落

总结

　　这项事情聚焦“量子纠错时空开支”这一底子难题，提出并证实了横向容错算法架构的可行性，将量子纠错的时空开支从O(d)升高到了O(1)，这不只向量子计较实用化迈出了重要一步，也揭示了量子纠错算法另有伟大晋升空间。

　　值患上注重的是，中性原子量子计较系统的高可重构性^[4,5]可以高效完成的横向操作。鉴于中性原子曾经完成了数十个逻辑比特、数百个逻辑横向门和纠错演示^[6]，该方案也为中性原子量子平台供给了清楚的将来试验路径。

　　参考文献

　　[1]. Zhou Hengyun et al., “Low-overhead transversal fault tolerance for universal quantum computation”, Nature (2025).

　　[2]. Zhou Hengyun et al. “Resource Analysis of Low-Overhead Transversal Architectures for Reconfigurable Atom Arrays”, Proceedings of the 52nd Annual International Symposium on Computer Architecture (2025).

　　[3]. Dolev Bluvstein, “Error-corrected quantum processing with neutral atoms”, Phd thesis, Harvard University, May 7, 2025.

　　[4]. Rui Lin et al., “AI-Enabled Parallel Assembly of Thousands of Defect-Free Neutral Atom Arrays”, Phys. Rev. Lett. 135, 060602 (2025).

　　[5]. Chiu Neng-Chun et al., “Continuous operation of a coherent 3,000-qubit system”, Nature (2025).

　　[6]. Bluvstein Dolev et al., “Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays”, Nature 626, 58 (2024).