Демонстрація решітчастої хірургії сприяє розвитку відмовостійких квантових обчислень

Команда вчених під керівництвом дослідників ETH Zurich нещодавно продемонструвала спосіб переплутування квантових бітів за допомогою ґраткової хірургії. Цей процес дозволяє інженерам створювати потужніші квантові комп'ютери, розширюючи вже вражаючі можливості цих пристроїв і відкриваючи шлях для їхнього майбутнього впровадження. Ось що вам потрібно знати.

Що робить квантові комп'ютери принципово відмінними

Квантові комп'ютери багато хто розглядає як наступний крок у еволюція комп'ютерів. Ці пристрої можуть забезпечити в тисячі разів більшу обчислювальну потужність, що робить їх ідеальними для складних наукових розрахунків тощо.

Квантові комп'ютери виявилися набагато потужнішими за традиційні комп'ютери. Вони перевершують традиційні пристрої, оскільки для обробки інформації використовують кубіти, суперпозицію, заплутаність та інтерференцію. Така структура дозволяє обробляти мільйони обчислень паралельно.

Чому квантова корекція помилок є основним вузьким місцем

Однак, коли мова йде про зберігання квантові дані набагато складніші, ніж традиційні біти, які можна дублювати та зберігати. Під час отримання дублікатів можна зіставити між собою, щоб переконатися, що дані не пошкоджені.

Квантова корекція помилок набагато складніша з кількох причин. По-перше, квантові кубіти не можна копіювати так само, як традиційні біти. Натомість вони покладаються на заплутані стани, що створюються між кубітами. Цей крихкий стан можна легко зруйнувати.

Бітові перевороти та фазові перевороти

Також квантовим комп'ютерам потрібно мати справу з декогеренцією та фазовими зсувами. Квантові комп'ютери унікальні тим, що кубіти можуть раптово та без попередження змінювати свою фазу з позитивної на негативну. Ця проблема ускладнила зберігання квантових даних протягом тривалого часу.

Як інженери вирішують цю проблему

Існує кілька способів, за допомогою яких інженери намагалися виправити ці квантові зрушення. Один з популярних методів — створити логічний кубіт з різних інших кубітів. Після створення інженери постійно застосовують корекцію помилок для забезпечення точності.

Цей процес вимагає від науковців постійного вимірювання стану спеціально розроблених стабілізаторів. Ці стабілізатори дозволяють інженерам відстежувати будь-які зміни в кубіті, не змінюючи його значення. Вони виконують це завдання, забезпечуючи відстежувані показники бітів та фаз.

Цей процес створює кубіти даних. Ці кубіти служать для зберігання стану корекції. Проблеми виникають тому, що більшість квантових комп'ютерів покладаються на двовимірні масиви надпровідних кубітів.

Ці кубіти залишаються заблокованими в просторі та не можуть бути переміщені без пошкодження квантового стану. Стабілізатори допомагають підтримувати стабільність. Однак вони можуть працювати лише з кубітами, які розташовані поруч один з одним, а це означає, що вони ідеально підходять лише для двовимірних кубітних застосувань і мають дуже обмежене застосування.

Дослідження решітчастої хірургії на квантових бітах

Прагнучи покращити можливості квантових обчислень, вчені з ETH Zurich та Інституту Поля Шеррера опублікували «Решіткова хірургія, реалізована на двох кодах з повторенням на відстані три з надпровідними кубітами¹” дослідження з фізики природи.

У статті представлено нову методологію квантової заплутаності та стабілізаторів. Їхній новий підхід дозволяє квантовим комп'ютерам виконувати квантові операції між надпровідними логічними кубітами, одночасно виконуючи корекцію помилок у реальному часі.

Що таке ґратчаста хірургія в квантових обчисленнях?

В основі цієї нової розробки лежить ґратчаста хірургія. Ґратчаста хірургія зрощує топологічні коди між логічними кубітами. Цей підхід підтримує двовимірні розташування кубітів поряд із відмовостійкими операціями вентилів.

Завдяки використанню ґратчастої хірургії, інженери змогли застосувати логічні вентилі між закодованими кубітами, навіть якщо вони не розташовані поруч один з одним. Ця стратегія дозволяє уникнути прямого контакту кубітів, зменшуючи помилки, спричинені декогеренцією.

Ґратчаста хірургія спирається на використання патчів, які являють собою кубіти із застосованими стабілізаторами. Процес тимчасово зшиває ці вентилі разом, що дозволяє перевіряти парність та збільшувати простір коду для обробки. Примітно, що ця робота є однією з перших експериментальних демонстрацій ґратчастої хірургії, виконаної між закодованими логічними кубітами з використанням надпровідного поверхневого кодового обладнання, зберігаючи при цьому корекцію помилок у реальному часі під час операції.

Як проводився експеримент з решітчастою хірургією

Інженери провели кілька тестів, щоб переконатися в правильності своїх розрахунків. Спочатку команда створила квантовий пристрій. Логічний вентиль складався з 17 надпровідних кубітів, розташованих у формі приблизного квадрата.

Після переплутання двох інженери зосереджуються на операціях розділення. Для цього вони закодували логічні кубіти за допомогою повторень біт-фліпу. Потім вони контролювали результати стабілізаторів кожні 1.66 мікросекунди, одночасно виконуючи корекції біт-фліпу та фазового фліпу.

Метод розділяє квадрат поверхневого коду навпіл, що полегшує його відстеження та тестування. Результати тестування чітко продемонстрували правильність їхніх теорій.

Решіткова хірургія на квантових бітах – результати випробувань

Інженери зазначили, що помилки перемикання бітів були виправлені в режимі реального часу. Вони зафіксували покращення порівняно з некодованими схемами, що пройшли той самий процес, в результаті чого інженери успішно створили два логічні кубіти, які були переплетені один з одним.

Переваги решітчастої хірургії на квантових бітах

Це дослідження пропонує багато переваг для ринку. По-перше, воно відкриває шлях до створення потужніших і точніших квантових комп'ютерів. Здатність знизити та закодувати відмовостійкість і виправлення в цих пристроях дозволить майбутнім ітераціям забезпечити більшу продуктивність і стабільність.

Решіткова хірургія на квантових бітах: реальне застосування та хронологія

Ця робота має кілька застосувань. Перш за все, це дослідження допоможе розширити та вдосконалити сектор квантових комп'ютерів, що розвивається. Воно забезпечує новий рівень стабільності цих пристроїв, дозволяючи інженерам створювати потужніші пристрої, які покладаються на ще більше кубітів для керування операціями.

Решіткову хірургію на часовій шкалі квантових бітів

За словами інженерів, ще багато роботи потрібно виконати, перш ніж ця технологія буде готова та застосована в сучасних передових квантових пристроях. Однак, можна очікувати, що ця технологія буде застосовуватися в цьому секторі протягом наступних 7-10 років, поряд з більш широким впровадженням квантових комп'ютерів.

Решіткова хірургія на квантових бітах: Дослідники

У цьому дослідженні брали участь дослідники з кількох відомих установ. Зокрема, професор доктора фізики Андреас Валльрафф керував дослідницькою роботою, а професор Маркус Мюллер з Університету Рейнсько-Вестмінстерського технічного університету Аахена та дослідницького центру Юліха був співавтором роботи.

У статті також згадуються Ілля Бесєдін, Майкл Кершбаум, Джонатан Нолл, Ієн Хеснер, Лукас Бедекер, Луїс Кольменарес, Лука Хофеле, Натан Лакруа, Крістоф Хеллінгс, Франсуа Свідек, Александр Фласбі, Мохсен Бахрамі Панах та Данте Колао Зануз серед авторів.

Решітчаста хірургія на квантових бітах Майбутнє

Майбутнє цієї технології світле. Мета полягає в тому, щоб інтегрувати її з іншими нещодавніми проривами, щоб допомогти інженерам досягти своєї загальної мети – створення корисних квантових комп'ютерів, які базуються на тисячах кубітів, а не на десятках.

Інвестування в квантові інновації

У секторі квантових обчислень домінують кілька дослідницьких фірм, які інвестували мільйони в цю технологію. Ці групи продовжують заглиблюватися в цю технологію з інноваційним духом, допомагаючи розкривати раніше вважані неможливими підходи. Ось одна компанія, яка допомогла сприяти майбутнім розробкам та впровадженню.

Обчислення Рігетті

Компанію Rigetti Computing було засновано у 2013 році Чадом Ріґетті з конкретною метою створення найпотужніших у світі квантових комп'ютерів з використанням технології надпровідних кубітів. На відміну від IonQ, яка використовує захоплені іони, зосередження Rigetti на надпровідних схемах більше узгоджується з дослідженням ETH Zurich, що стосується решітчастої хірургії надпровідних логічних кубітів.

У 2018 році Rigetti продемонструвала 128-кубітний чіп, і з того часу компанія стала піонером у розробці квантових обчислень «повного стеку». Це включає об'єкт Fab-1, перший у світі спеціалізований квантовий завод, де вони проектують і виробляють власні квантові процесори.

Rigetti досягла значних успіхів у гібридних квантово-класичних обчисленнях. Її платформа Quantum Cloud Services (QCS) інтегрує квантові процесори з високопродуктивною класичною інфраструктурою, що є необхідністю для корекції помилок у реальному часі, що обговорюється в сучасних дослідженнях. У 2021 році Rigetti стала публічною через злиття з Supernova Partners Acquisition Company II, розмістивши акції на NASDAQ.

Сьогодні Rigetti активно розробляє свої системи класу Ankaa, які використовують квадратну решітку настроюваних зв'язків. Ця архітектура спеціально розроблена для підтримки типу відмовостійких операцій та кодування логічних кубітів, продемонстрованих в останньому дослідженні ETH Zurich.

Останні новини та продуктивність Rigetti Computing (RGTI).

Решіткова хірургія на квантових бітах | Висновок

Квантові комп'ютери обіцяють неперевершену обчислювальну потужність, але їхня крихкість зробила їх занадто дорогими для більшості людей, щоб вони коли-небудь їх використовували чи володіли ними. Ця остання робота допоможе стабілізувати ці пристрої, наближаючи світ до доступного та надійного варіанту. З цієї та інших причин ці інженери заслуговують на овації.

Дізнайтеся про інші прориви в розробці квантових комп'ютерів тут.

Посилання

^{1. Бесєдін, І., Кершбаум, М., Кнолл, Й., Хеснер, І., Бедекер, Л., Кольменарес, Л., Хофеле, Л., Лакруа, Н., Хеллінгс, К., Свідек, Ф., Фласбі, А., Бахрамі Панах, М., Колао Зануз, Д., Мюллер, М., та Валрафф, А. (2026). Реалізована хірургія решітки на двох кодах з повторенням на відстані три з надпровідними кубітами. Nature Physics, 1-6. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6}