注入 gadget:从物理比特到码字
Horsman 等人的晶格手术原始论文给出了标准注入构造:把待注入态 放在 面的中心,其余数据比特制备 ;CNOT 把它扩展成 的三比特 GHZ 型态;稳定化后得到逻辑态 的 面,再经 merge 长大到任意码距Horsman et al. 2012 (NJP)。

注入的固有局限是fault distance 1:注入比特上的任何误差直接成为逻辑误差,不受码距保护。Litinski 的架构把注入放进”注入→蒸馏/培育→提升(promotion)“流水线,注入产物只当粗原料Litinski 2019 (Quantum)。
培育:容错投影测量加后选择
Gidney、Shutty 与 Jones 2024 年的提案(GSJ24)定义了培育:注入后,对逻辑可观测量做容错的投影测量并后选择期望本征值——每次成功的投影都把态往目标魔法态上”收拢”,误差以高阶压制,宣称可把 态成本压到接近 CNOT 门水平Gidney, Shutty & Jones 2024 (arXiv)。与传统蒸馏(见magic-state-distillation)相比,培育不需要成百上千个输入态的批处理工厂,代价是成功率随轮数衰减。
Google 2025 全链路实验
Google 在 Willow 方形格点上用 d=3 色码(7 数据比特加 helper 比特)实现全链路Google Quantum AI 2025 (arXiv):
- 注入:单物理比特任意态高效扩展为 d=3 色码逻辑态并同步制备全部 6 个稳定子;仅注入时逻辑误差 (约等于物理门误差,印证 fault distance 1),数据保留 。
- 培育:对逻辑 算符做容错投影测量。分解 ,非条件的 逐位加(横向),条件 折叠到单个 helper 比特上经相位反冲(phase kickback)测量;时间反演电路一举三得——恢复色码稳定子本征值(与后续纠错周期兼容)、顺带第二次测逻辑观测量、helper 比特成为 flag 检测器,整个电路 fault distance 3。
- 结果:相对仅注入,误差降低约 40×,逻辑误差上界 ,保留率 8%(含两轮额外培育加三轮纠错);电路共 216 个双比特门加 54 次测量,每个物理门的误差都高于输出误差。若物理噪声 减半,培育误差按 标度降到约 。

嫁接:培育产物的出口
培育产物离开色码的方式是嫁接:extension cycle 把 d=3 色码逐轮扩展, 轮后转入 d=5 表面码(grafted code)做晶格手术。这验证了码切换的工程可行性,且性能超越 Pauli 近似模拟的预测;嫁接后闲置误差成为主要限制Google Quantum AI 2025 (arXiv)。

精确理论与”名义距离”陷阱
Wan 与 Zapirain 2026 年用 Pauli 传播加二进制张量收缩精确计算培育电路(真实 门而非代理门)的接受率与逻辑误差率,复活并校准了此前的蒙特卡洛数值Wan & Zapirain 2026 (arXiv)。关键发现是警示性的:名义 d=3/d=5 的培育电路真实 fault distance 只有 2/3——d=5 电路的逻辑误差率首项 而非 (),解释了实验观察到的距离退化。数值上, 时 d=5 培育接受率约 14.395%,逻辑误差率 ——直接采样需要约 次尝试才能见到一个”接受且逻辑错”事件,精确方法(截断到 、相对误差 )是唯一可行路径。配套的 MPS 模拟工作系统比较了各培育方案Hartweg & Piñeiro Orioli 2026 (arXiv)。这些数字对指标报告的影响见logical-benchmarking。
与蒸馏的边界
注入-培育路线与蒸馏并非零和:培育把”物理误差到逻辑误差”的起点从 拉到 量级,蒸馏工厂的级数可以相应减少;无测量蒸馏等免测量变体也在探索中2025 (arXiv)。资源账本上,培育已进入主流估计——Gidney 2025 年的 RSA-2048 账本把”培育到 加 8T-to-CCZ 工厂”列为三大支柱之一,详见ft-resource-overhead。