大阪大学研究生院基础工学研究科硕士研究生糸川智博、博士生高田侑吾、平野裕，以及藤井启祐教授等人的研究团队，成功构建了低成本蒸馏大规模量子计算机操作时不可或缺的“零级魔法态蒸馏法”。相关研究成果已发表在《Physical Review X Quantum》上。
图1. 零级蒸馏详细说明图。①使用7量子比特编码的蒸馏电路蒸馏魔法态；②通过表面编码格子手术将获得的状态进行量子隐形传态；③在表面编码上制备魔法态。（供图：大阪大学）
要快速解决素因数分解、量子化学计算等产业领域的重要问题，具备量子纠错功能的容错量子计算机不可或缺。而容错量子计算机所需的，是一种被称为“魔法态”的特殊量子状态。
然而，制备魔法态需要消耗大量资源。首先需要用大量量子比特对量子信息进行编码，再执行蒸馏协议（逻辑级魔法态蒸馏）。该方法不仅需要大量量子比特数，魔法态供给速度也较慢，因此量子计算机必须配备专用的“魔法态工厂”。
研究团队并未采用逻辑量子比特进行蒸馏，而是在物理量子比特层面（零级）构建了具备容错能力的蒸馏电路，从而大幅降低了魔法态蒸馏的计算成本。结果表明，与逻辑级蒸馏相比，该方法所需量子比特数减少至原来的约1/10，计算步骤减少至原来的1/2。
借助此次开发的“零级魔法态蒸馏法”，无需再设魔法态工厂，大幅减少了复杂计算所需的量子比特数和计算时间，为容错量子计算机的早日实现带来了希望。
研究团队在学术会议上的发表引起了谷歌团队的关注。谷歌团队进一步改进并开发了“魔法态栽培”技术，通过应用该技术，素因数分解所需的物理量子比特数可减少至1/10，在海外产生了重大影响。
藤井教授表示：“本研究始于当时还是大四学生的糸川同学的毕业论文课题。研究完全从零开始，最初并未预料到能取得解决容错量子计算机瓶颈问题的成果。但在高田同学的支持下，不受先入为主的束缚，通过自由构想与创新，最终收获了重要成果。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Physical Review X Quantum
论文：Efficient Magic State Distillation by Zero-Level Distillation
DOI：doi.org/10.1103/thxx-njr6
