目前，各个领域都在尝试在实际应用中使用量子计算机，当前的量子计算机是以发生NISQ错误为前提设计的，但在未来，有望实现具有容错量子计算能力的FTQC。但是相对于NISQ使用数十到1000量子比特而言，FTQC则需要100万量子比特。
大阪大学教授藤井启祐（左）和富士通量子研究所所长佐藤信太郎
大阪大学量子信息与量子生命研究中心和富士通集团通过大幅降低对实现量子计算机至关重要的量子纠错所需要的物理量子比特数，构建出了一个高效的相位旋转门量子计算架构，从而有望加速实现超越当前计算机性能的量子计算机。富士通量子研究所所长佐藤信太郎表示，“NISQ和FTQC之间存在四位数的量子比特差异。采用此次开发的架构，预估可以用1万量子比特得到64个逻辑量子比特，进而实现早期FTQC。未来我们会将其导入理化学研究所已投入使用的国产量子计算机进行验证。”
图. 此次开发的量子计算架构示意图（供图：大阪大学）
FTQC利用大量的物理比特进行纠错，为了让少量的逻辑门能够准确无误地进行计算，需要超过100万的物理量子比特。但目前的技术要实现这一点非常困难，据称采用超导电路的方法，1万量子比特就已经达到极限了。
为了使用基于逻辑门的量子计算机进行计算，需要基本的CNOT、S、H和T量子门。其中，除了T门之外，其他逻辑门具有即使用当前的计算机也可以轻松计算的构造，只需少量的物理量子比特就能纠错。但是，T门的量子纠错需要大量的量子比特/量子门。这是因为T门和H门合作承担着相位旋转的操作，要将相位旋转到任意相位角θ，平均需要50次旋转操作。
本次开发的高效相位旋转架构中，设置了相位旋转门来代替T量子门。之后对4个物理量子比特进行门操作，生成相位角，检查正误后，如果有误则要重新生成。生成的高精度相位角被冗余为逻辑量子比特。观测旋转的角度，如果是θ则成功，否则调整为二倍角重试。在这个方法中，平均两次相位旋转即可以成功旋转到θ。相较以往，物理量子比特数可减少至约1/10，量子门操作次数可减少至约1/20。此外，已验证物理量子比特中的量子错误概率可以抑制到1/8左右。
在模拟达到1万物理量子比特的量子计算机中，新架构可以组成64个逻辑量子比特。由此可以实现超过当前超级计算机巅峰性能的计算速度。
大阪大学量子信息与量子生命研究中心的藤井启祐教授表示，“最近，人们开始认识到早期FTQC的重要性。然而，靠现有的研究方法很难实现，改变架构是首次尝试。没有人知道如何实现100万量子比特。在这种情况下，相较于用现有的量子计算技术竞争，寄希望于FTQC可能会更好。我认为为实现1万量子比特而坚持推进研究是成功的关键。”
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
