🩹 量子纠错 · 三比特翻转码

一个逻辑量子比特 |ψ⟩ 藏在 3 个物理比特里——测"综合征"不碰信息,出错也能原样复原

① 要保护的量子态 |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩

不可克隆定理禁止"复制一份备份"——只能把信息冗余编码进纠缠态。

② 当前 3 个物理比特的状态(8 个基态 · 黄色 = 码空间基 |000⟩/|111⟩)

③ 纠错流水线:编码 → 出错 → 测综合征 → 纠正 → 解码

出错比特:
综合征 (s₁,s₂)= ··

④ 结果对比:量子纠错 vs 直接取用(不纠错)

③ 施错后·存储态保真度(不纠)
0%
④ 综合征纠正后·保真度(QEC)
0%

⑤ 抗错性实验 · 自动 N 轮

每轮随机 θ 与出错比特(X 错误)
不纠错·平均保真度
—
QEC·平均保真度
—

📖 原理:为什么"测一下"不破坏叠加?

编码:CNOT(q₀→q₁)、CNOT(q₀→q₂) 把 |ψ⟩=α|0⟩+β|1⟩ 变成 α|000⟩+β|111⟩——信息不再压在一个比特上,而是"分布"在三比特的纠缠里。
综合征:只测两个奇偶校验 s₁=(q₀⊕q₁)、s₂=(q₀⊕q₂)。码空间基 |000⟩、|111⟩ 对这两个奇偶都是 0,所以测量不会区分 α 与 β——叠加被完整保留,却能告诉你错在谁:
错误比特无错q₀q₁q₂
综合征 (s₁,s₂)(0,0)(1,1)(1,0)(0,1)
纠错:按上表在某比特上加回 X 门 → α|000⟩+β|111⟩ 原样复原(保真度回到 100%)。
对照:若跳过综合征直接"取用",出错后的存储态与理想码字正交(保真度 ≈0)——信息其实还在,但没有纠缠/校验你就不知道该在哪儿补救;直接测量又会把 α,β 压成经典 0/1。这正是量子纠错反直觉又关键之处。
延伸:单比特翻转码抗 X(比特翻转)。相位错误 Z 需用不同码(Shor 码等)。每轮纠错把错误率 p 压到 ~3p² 量级,让"退相干还能继续用"成为可能 → 见「退相干 vs 量子纠错」演示。
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