耗散猫态量子比特因其显著的噪声偏置特性，有望实现更高硬件效率的量子纠错，是量子计算极具前景的物理平台。 

2025年7月11日，AWS量子计算中心、加州理工学院等机构组成的研究团队在《PRX Quantum》期刊上发表题为“Hybrid Cat-Transmon Architecture for Scalable, Hardware-Efficient Quantum Error Correction”（面向可扩展、硬件高效量子纠错的混合猫态-传输子架构）的研究论文。本研究从理论上探讨了一种混合架构的长期发展潜力：以耗散猫态量子比特作为数据比特，同时利用传输辅助比特进行错误症候测量。该架构兼具双重优势——猫态量子比特的噪声偏置可提升纠错硬件效率，而传输比特则能实现高保真度的实用化症候测量。

近期已有实验演示了通过重复码来校正主导猫态Z误差的方法，本研究进一步提出了可扩展至超越重复码的解决方案。研究设计了一种猫态-传输耦合门，能够在薄矩形表面码中校正残余的X错误，从而通过增加码距实现逻辑错误的任意抑制。数值模拟显示，相较于无噪声偏置的架构，该方案可显著降低资源成本：在当前最优相干性条件下，可实现10^-3的物理错误率及10³-10⁴量级的噪声偏置。在此性能水平下，要达到算法相关逻辑错误率所需的量子比特资源，仅相当于无偏置噪声架构在10^-5-10^{-4物理错误率时的需求。这一突破性进展为实用化量子计算提供了新的技术路径。}

研究背景

玻色子量子纠错码为实现更高效的量子纠错提供了一条有前景的道路。与量子比特码(如表面码)不同，玻色子码将量子信息编码在单个量子谐振子(如电磁或机械谐振器)的无限维希尔伯特空间中。这种单个物理组件就能纠正或抑制某些错误的能力使玻色子码天生具有硬件效率。

其中，猫码是特别有前景的玻色子码候选，因为它们可以表现出偏置噪声。在两组分猫码中，典型的物理错误(如光子丢失和相干失真)会导致编码玻色子比特上的X错误概率相对于Z错误概率呈指数级抑制。这种噪声偏置比可以被级联的量子比特码利用,从而提高纠错阈值和降低成本。

为了让外部量子比特码充分利用猫比特的噪声偏置，关键是在对猫比特施加门操作时保持这种偏置。虽然已经提出了保持偏置的猫-猫门操作方案，但这些实现可能会有繁琐的实验要求，需要同时实现很高的相干性和强人工耗散。

为了克服这种偏置保持猫-猫门的不利错误缩放，本文提出了一种混合猫-传输量子计算架构，使用传输量子比特作为测量错误综合信息的辅助比特，而不是使用猫比特。这种架构只需要猫-传输门，而不需要猫-猫门，从而避免了对强人工耗散的需求。

理论方法  

猫态-传输架构由耗散稳定的猫数据量子比特和色散耦合的超导量子比特辅助位构成(图1)。数据量子比特采用二分量猫码编码，利用驱动-耗散过程实现对猫码空间的稳定化。这种方式可以产生偏置噪声，X错误率随|α|^2呈指数级抑制,而Z错误率仅随|α|^2线性增加。 

图1：混合耗散猫量子比特-超导传输量子纠错架构：(a) 单元结构，(b) 表面码结构，(c) 错误探测电路。

辅助量子比特采用标准的传输量子比特，与数据猫量子比特通过色散耦合相互作用。通过猫-传输量子门实现对猫量子比特的错误纠正，构建表面码。相比于需要复杂Hamiltonian工程的猫-猫门，这种架构只需要猫-传输门，更加实用。

为了纠正猫态的主导Z误差，研究人员实现了一个由传输子控制的CX门。猫态和传输子之间的纠缠是通过让系统在色散耦合下自由演化而产生的。 

图2：CRX 门示意图：猫态先位移使|−α⟩→|0⟩，再对跨子施加真空共振数选脉冲，最后复位；仅当初始为|−α⟩时跨子才旋转。

同时关闭猫态的工程耗散。CRX门（图2）可以实现对猫量子比特的X错误纠正（图1c）,弥补了猫-传输量子架构中猫量子比特X错误无法直接纠正的缺陷。CRX门利用猫量子比特控制传输量子比特的旋转,从而实现对猫量子比特X错误的纠正。这种方式不需要复杂的Hamiltonian工程,只需要利用猫-传输量子比特之间的自然色散耦合即可实现。CRX门的实现使得猫-传输量子架构能够实现完全的错误纠正,从而成为一种可扩展的量子计算架构。 

图3：脉冲整形抑制CRX相干误差

在CRX门（受控旋转门）的实现过程中，由于选择性传输子脉冲的有限时长，会引入显著的相干错误。这种错误主要源于存储模式光子数对传输子频率的色散位移效应，为抑制此类相干错误，研究团队采用了脉冲整形技术，其中DRAG（Derivative Removal by Adiabatic Gate）脉冲发挥了关键作用，如图3所示。

数值模拟

在猫态-传输架构中，使用猫-传输量子比特门而不需要复杂的猫-猫量子比特门。这些猫-传输量子比特门的保偏性能优于之前提出的猫-猫量子比特门。猫-传输量子比特门的误差随着单光子损耗率κ1和猫-传输量子比特色散耦合强度χ的比值而变化，即误差∝κ1/χ。这种误差缩放关系使得在给定的单光子损耗率下，可以实现更高的门保真度（图4）。

图4：传输子控制CX门（上）与猫控制CRX门（下）的误差与偏置特性

此外，猫-传输量子比特门的实现不需要复杂的Hamiltonian工程，只需利用自然的量子比特-谐振器色散耦合即可，这使得实验实现更加简单。尽管猫-传输量子架构无法达到纯猫量子比特架构的最大偏置，但仍可以实现10³-10⁴量级的显著偏置，这对于构建可扩展的量子计算系统已经足够，为实现可扩展的量子计算架构提供了一种可行的方案。

利用之前介绍的CX和CRX门，可以构建出混合猫-传输量子表面码，能够同时纠正猫量子比特的主导Z误差和抑制的X误差。研究人员模拟了使用这种混合表面码进行错误纠正的性能，首先评估了实际可达的误差率与误差阈值的关系，然后量化了这种架构噪声偏置带来的硬件效率优势，将其与无偏噪声的情况进行了对比，发现可以显著降低所需的逻辑存储成本。

具体而言，对于相同的物理误差率10^-3使用猫-传输量子架构只需要200个量子比特(100个猫态，100个传输量子比特)就能构建出逻辑存储错误率小于10^-10的薄矩形表面码。而无偏噪声的情况下则需要近1000个量子比特才能达到类似的性能。

研究成果与意义

本研究提出并分析了混合猫-传输量子架构，这是一种可扩展的硬件高效错误纠正架构。在这种架构中，耗散性猫量子比特的噪声偏置实现了硬件效率,而使用辅助传输量子比特则实现了简单高保真的猫-传输量子比特纠缠门。

为了纠正猫量子比特主导的Z误差，研究使用了仅依赖于本征色散耦合的中等噪声偏置CX门，这种实现方式已经在多个实验中得到证明。为了纠正猫量子比特抑制的X误差,作者提出了指数噪声偏置的CRX门，它主要依赖于简单的数字选择性脉冲。与无偏噪声的情况相比，在实际可达的噪声偏置和误差率下，猫-传输量子架构的逻辑存储成本可以与物理误率在10^-5到10^-4范围内的通用无偏噪声架构相匹配。

猫-传输混合架构通过噪声偏置与高保真症状测量的结合，为实用化量子纠错提供了高效解决方案。其核心创新在于规避了传统猫-猫门的苛刻要求，同时保留了玻色编码的硬件效率优势。未来，随着传输子相干性的改进和逻辑操作优化，该架构或将成为迈向算法级量子计算的关键基石。