通用容错量子计算机的架构机制

量子纠错（QEC）被认为是大规模量子计算机实现的关键，但由于在编码"逻辑" qubit 上操作的复杂性，理解构建容错量子设备并将其组合成高效架构的物理原理仍是突破性科学挑战。本文利用最高 448 个中性原子的可重构数组，实现了通用容错量子处理架构的所有关键要素，并实验探索了其 underlying 工作机制。我们首先采用表面码研究重复 QEC 如何抑制误差，通过利用原子损失检测和机器学习解码器实现 2.14(13)x 以下阈值性能。随后我们研究逻辑纠缠，采用横向门和晶格手术，并通过 3D [[15,1,3]] 码扩展至通用逻辑，实现任意角度综合，仅需对数级开销。最后，我们开发了中间电路 qubit 重用，使实验循环速率提升两个数量级，使能够使用数十个逻辑 qubit 和数百次逻辑传输 [[7,1,3]] 和高速 [[16,6,4]] 码，同时保持恒定的内部熵。我们的实验揭示了高效架构设计的关键原理，涉及量子逻辑与熵消除之间的相互作用，明智地利用物理纠缠进行逻辑门和魔法态生成，并利用传输实现通用性和物理 qubit 重置。这些结果为可扩展的、通用错误纠正的处理及其在中性原子系统中的实际实现奠定了基础。