日本科學團隊開發成功新型量子糾錯碼

科技日報北京9月29日電 （記者張夢然）日本東京科學大學團隊在量子糾錯技術方面取得重要突破：開發出一種高效且可擴展的量子低密度奇偶校驗（LDPC）糾錯碼，在包含數十萬個邏輯量子比特的系統中仍保持極高的穩定性，性能接近理論界限。這一成果為實現大規模容錯量子計算提供了關鍵技術支撐，有望推動量子計算機在量子化學、密碼分析和復雜優化等領域的實際應用。

目前，量子計算機已能操控數十個量子比特，但要解決具有現實意義的問題，往往需要數百萬甚至更多穩定可靠的邏輯量子比特。由於量子態極為脆弱，易受到環境干擾而產生錯誤，且錯誤會隨系統規模擴大而迅速累積，因此必須依賴高效的糾錯機制來維持計算的准確性。然而，現有的量子糾錯方法普遍存在資源消耗大、效率低的問題，通常需用大量物理量子比特編碼出少量邏輯量子比特，嚴重制約了系統的擴展能力。

更深層次的挑戰在於，許多現有糾錯碼存在編碼率低、性能提升空間有限等問題。此外，在高精度運行區域常出現性能停滯，與理論上可達到的最佳糾錯極限——即哈希界限，仍有較大差距。同時，多數方案在完成主解碼后還需進行復雜的后續處理，進一步增加了運算負擔。

此次團隊成功克服了這些難題。他們提出了一種新的構造方法，首先設計出具有優良糾錯特性的原型LDPC碼，並引入基於仿射排列的技術手段，增強碼結構的多樣性，有效避免了影響解碼效果的短周期問題。不同於傳統在二元有限域上定義的LDPC碼，新方案採用非二元有限域構建，使得每個編碼單元能承載更多信息，從而提升了整體糾錯能力。

隨后，團隊將這些原型碼轉化為一種CSS型量子糾錯碼，並結合改進的和積算法，發展出一種高效的聯合解碼策略。該方法能夠同時處理位翻轉和相位翻轉兩類基本量子錯誤，而以往多數方案只能逐類糾正，效率較低。

通過大規模數值模擬驗証，這種新型糾錯碼在包含數十萬個邏輯量子比特的系統中誤碼幀率可達10-4量級，性能非常接近哈希界限。尤為重要的是，其解碼所需的計算復雜度與物理量子比特數量成正比，意味著隨著系統規模增大，資源開銷的增長是線性可控的，具備良好的工程可行性。