昨日，富士通和大阪大学的量子信息和量子生物学中心（QIQB）宣布，开发了一种新型高效的模拟旋转量子计算架构，这是实现实用量子计算的重要里程碑。
新架构将量子纠错所需的物理量子比特数量（实现容错量子计算的先决条件）减少了 90%，即可从 100 万量子比特减少到 10,000 量子比特。
这一突破将使一个拥有10,000个物理量子比特和64个逻辑量子比特的量子计算机的计算性能，高于传统高性能计算机性能峰值的100,000倍。
01. 容错计算的纠错：实现实用量子计算
基于门的量子计算机有望彻底改变包括量子化学和复杂金融系统在内的广泛领域的研究，因为它们将提供比当前经典计算机高得多的计算性能。
由多个物理量子位组成的逻辑量子位在量子纠错技术中发挥着重要的关键作用，并最终实现能够提供容错结果的实用量子计算机。
在传统的量子计算架构中，计算是使用四个纠错通用量子门 (5)（CNOT、H、S 和 T 门）的组合来执行的。在这些架构中，尤其是 T 门的量子纠错需要大量的物理量子比特，而量子计算中状态向量的旋转需要平均重复大约 50 次逻辑 T 门操作。因此，估计实现真正的容错量子计算机总共需要超过一百万个物理量子比特。
出于这个原因，早期 FTQC 时代的量子计算机使用传统架构进行量子纠错，只能在非常有限的规模上进行计算，低于经典计算机，因为它们最多只能处理大约 10,000 个物理量子比特，这个数字远低于经典计算机真正的容错量子计算所需要的数量。
为了解决这些问题，富士通和大阪大学开发了一种全新的高效模拟旋转量子计算架构，能够显着减少量子纠错所需的物理量子比特数量，即使是拥有 10,000 个物理量子比特的量子计算机也能比当前的经典计算机，加速实现真正的容错量子计算。
富士通和大阪大学一直在“富士通量子计算联合研究部”促进量子纠错技术的联合研发，包括早期 FTQC 时代的新量子计算架构，该研究部是 QIQB 的合作研究机构，于 2021 年 10 月 1 日成立于大阪大学，作为富士通“富士通小型研究实验室”计划的一部分 (6)。
02. 减少90%量子比特数量，控制13%错误率
通过重新定义通用量子门集，富士通和大阪大学成功实现了世界首创的相位旋转门，实现了高效的相位旋转，在此之前，这一过程需要大量的物理量子比特和量子门操作。
与需要使用大量物理量子比特重复逻辑 T 门操作的传统架构相比，新架构中的门操作是通过相位直接旋转到任何指定角度来执行的。
通过这种方式，成功地将量子纠错所需的量子比特数减少到现有技术的10%左右，相当于量子纠错所需的量子比特数减少了约90%。任意旋转所需的门操作次数减少到传统架构的5%左右。
此外，富士通和大阪大学将物理量子比特中的量子错误概率抑制在 13% 左右，从而实现了高精度计算。
新开发的计算架构为构建10000个物理量子比特和64个逻辑量子比特的量子计算机奠定了基础，这相当于传统高性能计算机峰值性能的约100,000倍。
展望未来，富士通和大阪大学将进一步完善这一新架构，以引领早期 FTQC 时代（量子计算机最多使用 10,000 个物理量子比特工作的时代）量子计算机的发展，旨在将量子计算应用于广泛的实际社会问题。
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