无需测量的容错通用量子计算：基于码切换与级联编码的全新方案

研究人员针对量子计算中纠错操作依赖测量反馈导致实验复杂度高的问题，开展了"无测量（MF）容错（FT）通用量子计算"研究。通过结合二维（2D）和三维（3D）色码的互补优势，开发出基于码切换和级联编码的完整工具箱，实现了不依赖中间测量的全 transversal 逻辑门组。该方案在错误率低于2.6×10-4时展现优势，为中性原子等平台提供了可扩展的量子计算路径。

　　

量子计算正面临着一个关键瓶颈：要实现可靠的大规模量子算法，必须解决量子纠错（QEC）和通用逻辑门实现的难题。传统QEC方案严重依赖测量和反馈操作，这不仅在实验上极具挑战性，还会因测量速度慢导致量子退相干。更棘手的是，现有量子纠错码都无法原生支持完整的容错通用门集。面对这些挑战，研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表了一项突破性研究。

研究团队创新性地将码切换（code switching）和级联编码（concatenation）策略相结合，构建了完整的测量自由（MF）容错（FT）量子计算工具箱。通过开发2D和3D色码间的信息转换协议，实现了互补的逻辑门组：2D色码支持transversal Clifford门（如H_L和CNOT_L），而3D色码则支持transversal非Clifford门（如T_L）。为扩展到高距离码，研究还将2D色码与自身级联，并通过码切换实现原本缺乏原生容错实现的逻辑操作。

关键技术包括：1）开发MF FT码切换协议，利用辅助逻辑量子比特实现编码信息转换；2）构建基于[[7,1,3]]和[[15,1,3]]色码的互补门集；3）采用级联编码方案提升纠错能力；4）通过蒙特卡洛模拟评估性能，确定伪阈值（pseudothreshold）为2.6×10^-4；5）设计迭代量子反馈机制替代传统测量反馈。

【MF FT码切换】

研究人员首先在最小实例（[[7,1,3]]和[[15,1,3]]色码）间实现MF FT码切换。通过将目标稳定子信息映射到辅助寄存器，用受控泡利门直接实施量子反馈，避免了测量延迟。特别地，采用[[7,1,3]]码的|0>_L态作为辅助量子比特，实现从[[15,1,3]]到[[7,1,3]]的转换；而反向转换则使用三个[[8,3,2]]码的|+++>_L态。

【数值结果】

蒙特卡洛模拟显示，在单参数噪声模型下（两量子比特门错误率p，单量子比特门错误率p/10），FT方案在p≈2×10^-2和p≈10^-2时分别优于非FT方案。完整切换循环的突破点出现在p≈2.6×10^-4，且MF方案在多数实验参数下优于测量方案。

【可扩展性】

通过将[[7,1,3]]码与自身级联，研究构建了高距离编码方案。分析表明，级联Toffoli门的错误率主导了整体性能，其伪阈值约为1×10^-4。值得注意的是，该方案仅需35个物理量子比特即可实现距离-3编码，远低于其他方案所需的49-105个量子比特。

这项研究的重要意义在于：首次完整实现了不依赖测量的FT通用量子计算方案，解决了测量延迟导致的退相干问题；提出的级联架构大幅降低了硬件需求，使中性原子等平台能更高效地实现量子算法；通过码切换策略巧妙结合了不同编码的优势，为未来量子处理器设计提供了新思路。特别是对测量速度较慢的体系（如中性原子和囚禁离子），该MF方案展现出显著优势，标志着量子计算向实用化迈出了关键一步。