本期文章：《自然—物理学》：Online/在线发表
近日，日本东京大学的Hayata Yamasaki及其研究小组取得一项新进展。经过不懈努力，他们提出具备时效性的恒定空间开销容错量子计算。相关研究成果已于2024年1月16日在国际知名学术期刊《自然—物理学》上发表。
据悉，为了扩展量子计算机以获得比经典计算更大的速度，容错能力是必要的。传统上，容错量子计算协议需要为每个逻辑量子比特使用许多物理量子比特，这导致了大量的空间开销。最近的协议采用低密度奇偶校验码的量子模拟物，只需恒定的空间开销，并且不会随着逻辑量子比特数量的增加而增长。然而，实现这一协议所需的处理时间开销随着计算步骤数量的增加呈多项式增长。
为了解决传统容错量子计算协议中的空间开销问题，该研究团队引入了一种替代方法，该方法使用多个小尺寸量子码的串联，而不是单一的大尺寸量子低密度奇偶校验码。研究人员开发了连接不同大小的量子汉明码的技术，从而构建了一个低开销协议。这个协议不仅实现了恒定的空间开销，还具有准多项式的时间开销。即使解码器运行时间非恒定，该协议仍然具有容错性，这与现有的恒定空间开销协议不同。这种代码串联方法有望使大量的量子加速成为可能，同时具有可行的有限空间开销和可忽略不计的短时间开销。
附：英文原文
Title: Time-Efficient Constant-Space-Overhead Fault-Tolerant Quantum Computation
Author: Yamasaki, Hayata, Koashi, Masato
Issue&Volume: 2024-01-16
Abstract: Scaling up quantum computers to attain substantial speedups over classical computing requires fault tolerance. Conventionally, protocols for fault-tolerant quantum computation demand excessive space overheads by using many physical qubits for each logical qubit. A more recent protocol using quantum analogues of low-density parity-check codes needs only a constant space overhead that does not grow with the number of logical qubits. However, the overhead in the processing time required to implement this protocol grows polynomially with the number of computational steps. To address these problems, here we introduce an alternative approach to constant-space-overhead fault-tolerant quantum computing using a concatenation of multiple small-size quantum codes rather than a single large-size quantum low-density parity-check code. We develop techniques for concatenating different quantum Hamming codes with growing size. As a result, we construct a low-overhead protocol to achieve constant space overhead and only quasi-polylogarithmic time overhead simultaneously. Our protocol is fault tolerant even if a decoder has a non-constant runtime, unlike the existing constant-space-overhead protocol. This code concatenation approach will make possible a large class of quantum speedups with feasibly bounded space overhead yet negligibly short time overhead.
DOI: 10.1038/s41567-023-02325-8
Source: https://www.nature.com/articles/s41567-023-02325-8
期刊信息
Nature Physics：《自然—物理学》，创刊于2005年。隶属于施普林格·自然出版集团，最新IF：19.684
官方网址：https://www.nature.com/nphys/
投稿链接：https://mts-nphys.nature.com/cgi-bin/main.plex
