2026年6月24日——QuEra Computing 今日宣布，其与洛斯阿拉莫斯国家实验室合作开发的一种新型协同设计量子计算架构已在《PRX Quantum》上发表。该架构能显著减少早期容错量子模拟所需的物理资源。这种名为“横向STAR”（时空高效模拟旋转）的架构是与中性原子硬件协同设计的，针对材料科学、凝聚态物理和非平衡动力学中的结构化量子模拟问题而开发。

这项工作解决了通往实用量子计算道路上的一个关键里程碑：即所谓的“百万量子操作”体制。在这一体制下，一台经过纠错的量子计算机能够执行约一百万次可靠的逻辑操作，并开始执行经典方法无法企及的计算。要在实践中达到这一体制，关键在于减少量子纠错施加在逻辑计算上的巨大开销。横向STAR架构一举消除了两个最昂贵的开销因素，将原有的固定连接STAR方案 [PRXQ 5, 010337 (2024); PRX 15, 021057 (2025)] 扩展到了可重构架构上。

在标准的容错架构中，非克利福德操作依赖于被称为“魔法态”的资源态，这些魔法态需要在电路中制备、提纯和消耗。2024年，QuEra 首次在实验上演示了逻辑（受保护）魔法态蒸馏过程。而对于量子模拟而言，还存在第二层资源需求：哈密顿量演化固有的小角度旋转必须从离散的门集合中合成，这极大地增加了成本。这两个因素结合起来，使得传统的容错量子模拟在早期容错体制中成本高得令人望而却步。

横向STAR架构则巧妙地规避了这两个问题。该架构通过基于后选择的横向注入直接制备小角度魔法态，省去了合成步骤。它利用中性原子硬件提供的可重构连接性和大规模并行性，横向执行周围的克利福德操作，从而消除了限制早期方案的晶格路由开销。最终形成的架构中，模拟旋转速度与克利福德门速度相匹配，消除了传统方法面临的瓶颈。

通过采用受硬件启发的噪声模型进行详细的电路级模拟，作者们表明，基于表面码的横向STAR版本可以使用约10,000个物理量子比特，在物理双量子比特门错误率为10⁻³的条件下，模拟总模拟体积超过600的局部哈密顿量（模拟体积定义为逻辑量子比特数与哈密顿量演化时间尺度的乘积）。与之前最优的STAR架构（需要约20,000个物理量子比特，并依赖固定量子比特连接和晶格手术克利福德操作）相比，这代表着总时空成本（量子比特数 × 时钟周期）降低了20至40倍。

该论文还将横向STAR架构扩展到高码率量子低密度奇偶校验（qLDPC）码，在保持大部分时间优势的同时，进一步将物理量子比特数量减少了约5倍，降至约1,500至3,000个物理量子比特。

QuEra Computing算法与应用副总裁、该论文的通讯作者之一 Sheng-Tao Wang 表示：“达到百万量子操作规模的量子模拟是实现容错量子计算全部潜力的关键中间步骤，而早日实现这一目标既关乎硬件，也关乎架构。横向STAR架构表明，当你围绕应用的结构协同设计算法、编码和硬件时，你可以将可实现的目标改变数个数量级。”

论文的另一位通讯作者、洛斯阿拉莫斯国家实验室计算机与计算科学部的 Andrew Sornborger 表示：“这项工作展示了将计算科学专业知识与量子硬件能力相结合的价值。通过围绕中性原子系统的优势——可重构连接性和大规模并行性来协同设计架构，我们能够为模拟领域提供一条可信的早期容错路径，以解决目前无法触及的、多体物理学中出现的更长时间尺度问题。”

通过重新平衡容错量子模拟的成本，横向STAR架构为研究人员、硬件工程师和量子软件开发人员提供了一条近期路径，以实现：

• 超越经典的早期容错模拟：在材料科学、凝聚态物理和非平衡动力学领域，进行结构化局部哈密顿量模拟，其模拟体积远超NISQ设备乃至经典高性能计算可能支持的范围。
• 减少硬件需求：对于相同的模拟工作负载，所需的物理量子比特数约为完全容错替代方案的1/2，而采用qLDPC版本则可进一步减少约5倍。
• 更快的执行速度：执行速度比固定连接的完全容错架构快约250倍，比最初的固定连接STAR方案快约10倍。
• 更清晰的协同设计路径：展示了算法、编码层级和硬件进展如何相互促进，从而缩短实现具有科学影响力的超越经典量子模拟的时间表。

横向STAR架构在设计上是部分容错的，其目标是结构化量子模拟，而非通用的任意计算。QuEra 将继续集中所有研发力量，致力于提供大规模、通用容错量子系统；而横向STAR架构是一条近期的应用路径，它建立在相同的中性原子能力之上，即可重构连接性、并行性、横向门，这些正是其长期路线图的基础。

该论文的发表延续了 QuEra 容错项目里程碑式的一年。在2025年，QuEra 与哈佛大学和麻省理工学院的学术合作伙伴合作（部分由QuEra主导）发表了四篇《自然》论文，展示了数千原子阵列的持续运行、集成最多96个逻辑量子比特的容错架构、首次逻辑级魔法态蒸馏，以及将中性原子等可重构架构的运行时间开销降低10至100倍的横向容错技术。

该论文题为《用于中性原子百万量子操作规模量子模拟的横向架构》，发表在《PRX Quantum》上，并可在arXiv上以编号arXiv:2509.18294获取。作者包括Refaat Ismail和I-Chi Chen（共同第一作者，顺序由掷硬币决定），以及Chen Zhao、Ronen Weiss、Fangli Liu、Hengyun Zhou、Sheng-Tao Wang、Andrew Sornborger和Milan Kornjača，他们分别来自QuEra Computing、洛斯阿拉莫斯国家实验室、肯塔基大学、爱荷华州立大学和圣路易斯华盛顿大学。