量子 LDPC 码(quantum LDPC code,qLDPC)是把经典低密度奇偶校验思想搬到量子侧的稳定子码:每个校验算符只作用于常数个量子比特、每个量子比特只参与常数个校验。这看似平淡的稀疏性要求,却是量子纠错二十年来的主战场——2009 年超图积码证明稀疏校验也能有正码率,2021 年渐近好码终结"好量子 LDPC 码是否存在"的悬案,2023 年 IBM 的双变量自行车码以 0.8% 电路级阈值把这条路线推向工程,2025–2026 年则是硬件落地与新构造井喷的年份。
码族包含关系图:mirror codes 包含正规 2BGA,后者包含 BB 码与 GB 码
图:qLDPC 码族的包含关系——镜像码(mirror)在"量子比特置换+局域 Clifford"意义下包含全部正规两块群代数(2BGA)码,BB 码与广义自行车(GB)码是其后裔(来源:QE152)

定义:稀疏性的量子版

一个 CSS 型稳定子码由两套校验矩阵 定义,约束为行重量(每个校验作用的量子比特数)与列重量(每量子比特参与的校验数)均有常数上界 。把向量空间排成三项链复形(chain complex)

则 CSS 条件 恰好是链复形的 ,逻辑算符对应同调群:Z 型逻辑空间为 ,X 型对偶地取 ,逻辑维数

这个”链复形即量子码”的视角是 2009 年后几乎所有 qLDPC 构造的公共语言——超图积、平衡积、提升积本质上都是构造链复形乘积的不同配方Breuckmann & Eberhardt 2021 (PRX Quantum)。

稀疏性的回报与经典侧同源但更沉重:其一,综合征提取电路每轮只需 个双比特门(浅电路直接压低测量噪声的贡献,见syndrome-extraction);其二,校验矩阵稀疏使置信传播类迭代译码可行(bp-osd-decoding);其三,稀疏校验不受量子 Singleton 与 Hamming 型界的额外惩罚,码率可以接近 1/2 而距离仍线性增长——这是表面码(码率随 衰减)做不到的。

为什么放弃几何局域性

表面码是”几何局域的 qLDPC”:校验重量 4、每比特 4 个校验,但校验只能连相邻比特。二维局域性的代价被 Bravyi–Poulin–Terhal 定理钉死:(见locality-bounds)——常数码率与线性距离在 2D 格点上不可兼得,表面码 、 已经是紧标度。qLDPC 的选择是保留”稀疏”、放弃”局域”:允许校验连接相距很远的量子比特(长程边),换回 与 同时成立的可能。代价则是硬件连通性与译码吞吐,见qldpc-hardware。

构造谱系 2009–2026

  • 2009,超图积(HGP):Tillich 与 Zémor 证明任意两个经典 LDPC 码的 Tanner 图乘积给出正码率、 的量子码Tillich & Zémor 2009 (IEEE-IT)——环面码正是”循环码×循环码”的特例。 由此成为此后 12 年的距离天花板。
  • 2020,三线破 :Hastings 的纤维丛码、Panteleev–Kalachev 的提升积Panteleev & Kalachev 2020 (IEEE-IT)、Breuckmann–Eberhardt 的平衡积Breuckmann & Eberhardt 2020 (IEEE-IT)在同年独立把距离推进到 至 量级,突破 屏障。
  • 2021,渐近好码:Panteleev–Kalachev 用非阿贝尔群上的提升积构造出常数码率、常数相对距离的码族,一锤定音地回答了 qLDPC 猜想Panteleev & Kalachev 2021 (STOC);Leverrier–Zémor 的量子 Tanner 码随后给出概念上更简的版本Leverrier & Zémor 2022 (FOCS)。好码也补齐了常数开销容错计算的拼图——Gottesman 2013 证明好码族上容错开销可为常数Gottesman 2013 (arXiv)。
  • 2023,实用化转折:IBM 的双变量自行车(BB)码 以 288 物理比特、恒定 7 层 CNOT 的综合征电路和 0.8% 的电路级阈值,第一次让 qLDPC 在数百比特尺度上与表面码正面竞争Bravyi et al. 2023 (Nature)。
  • 2025–2026,落地与井喷:自行车架构与 Pinnacle 架构给出端到端资源估计(见qldpc-vs-surface),IBM 处理器演示落地(ibm-qldpc-demo),同时陪集基、镜像、幻影、非阿贝尔、AI 发现等新构造密集出现(见qldpc-frontier-2026)。

与两侧接口

经典侧:qLDPC 的构造原料就是经典 LDPC 码(ldpc-classical、tanner-graphs),译码也直接继承 BP+OSD;拓扑侧:环面码/表面码族是几何局域的特例(toric-code、homological-codes),qLDPC 可视为”去掉几何约束的同调码”。子系统化(subsystem-codes)与 Floquet 化(floquet-codes-overview)两条推广路线同样适用于 qLDPC。

延伸阅读