基于工厂的容错制备编码一个逻辑量子比特的量子极化码

近期提出了一种容错制备Q1码（即编码一个量子比特的量子极化码）逻辑码态的方法。其中的容错由错误检测装置保证，若在制备过程中检测到错误，则完全丢弃该制备。由于错误检测，制备是概率性的，其成功率（称为制备率）随码长迅速下降，阻碍了长码长码态的制备。本文为提高制备率，考虑Q1码态的工厂制备，即并行尝试制备若干份Q1码态副本。利用额外的调度步骤，我们可避免每次检测到错误时完全丢弃制备，从而转而实现制备率的提升。我们进一步提供了估计经工厂制备的Q1码制备率与逻辑错误率的理论方法，其被证明与基于蒙特卡洛仿真的数值结果紧密吻合。因此，我们的理论方法有益于为码长较大、蒙特卡洛仿真实际不可行的情况提供估计。针对线路级去极化噪声模型的数值结果表明，制备率显著提升，尤其对于大码长N。例如，对于N = 256，在具有实际意义的物理错误率p = 10^{-3}下，其从0.02%提升至27%。值得注意的是，N = 256的Q1码在p = 10^{-3}与p = 3 x 10^{-4}下分别达到约10^{-11}与10^{-15}的逻辑错误率。这相对于相似码长和最小距离的surface code（表面码）约有三个数量级的改进，从而展示了所提方案在大规模容错量子计算中的前景。