借助魔态态实现高保真逻辑非Clifford门

对编码量子信息以抵御错误是大规模量子计算不可或缺的步骤。对编码态执行完整的量子门集合将导致巨大的资源开销，而最小化这种开销是实现大规模容错量子计算机的关键。我们提出并实现了一种魔态准备协议，利用仅八个物理量子比特在 [[6,2,2]] 量子错误检测码中无故障地准备一对逻辑魔态。我们在包含20个离子阱的 H1-1 量子处理器上实现了该协议，得到的魔态实验失真度为 $7^{+3}_{-1}\times 10^{-5}$，弃牌率为 $14.8^{+1}_{-1}\%$，并用于执行容错非Clifford门——受控Hadamard门（CH），其逻辑失真度 $\leq 2.3^{+9}_{-9}\times 10^{-4}$。显著的是，这显著优于未编码的物理CH失真度 $10^{-3}$。通过电路级稳态器模拟，我们展示该协议可自我串联，以在 [[36,4,4]] 量子纠错码中产生极高保真度的魔态，逻辑错误率在两种情形下分别为 $6\times 10^{-10}$（$5\times 10^{-14}$），当两种二维误差率分别为 $10^{-3}$（$10^{-4}$）。