容错量子电路大幅降低资源开销
量子计算作为新兴技术，有望以指数级速度解决经典计算机难以应对的问题。量子计算涉及基本操作单元——量子门，它们建立量子比特（qubit）之间的连接。当前量子比特噪声水平较高，难以可靠执行解决实际问题的长量子算法。量子纠错可补偿噪声，但资源开销巨大。
在《npj Quantum Information》发表的研究中，我们提出了一种新型低开销容错T门实现方案。该方案将T门实现的资源开销（包括量子比特数量和操作次数）降低至少一个数量级，同时满足最具前景的量子计算架构的硬件约束条件。
魔术态制备革新
传统方案采用魔术态蒸馏方法实现逻辑T门，需要多次重复逻辑层Clifford操作以确保魔术态保真度。我们提出容错方法直接制备魔术态，通过冗余辅助量子位编码技术，使同一组辅助量子位在不同操作阶段承担错误检测和标志量子位功能。
底层实现突破
新方案允许全部操作在物理层实现，无需传统方案中的逻辑层Clifford操作。这种底层方法使得魔术态制备仅需物理层Clifford操作，同时保持所有量子位间的最近邻连接，这是实现资源开销显著降低的关键因素。
近景应用前景
虽然完全容错的大规模量子计算机尚未实现，但各种量子计算架构正逐步接近原型容错量子纠错方案的演示。通过消除高保真编码Clifford操作的需求，允许使用低保真度物理层操作，我们的底层魔术态制备方案使非Clifford门的容错实现在近期更易实现。
左图为色彩码中量子比特全局Hadamard测量的电路图，右图展示通过交换标志量子位与辅助量子位实现错误检测的稳定器结构
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