Китайские учёные создали высокоточные запутывающие ворота для удалённых квантовых процессоров

Справа: экспериментальная установка команды. Квантовые чипы размещены в двух отдельных корпусах. Они соединены через микроволновый кабель. Слева: концепция запутывания. Два кота Шрёдингера находятся в разных ящиках, их жизнь и смерть коррелируют из-за запутанности. Автор: доктор Пей Лю.

Квантовые компьютеры обладают потенциалом решения некоторых задач оптимизации и обработки данных, которые недоступны классическим компьютерам. Многие из наиболее перспективных платформ квантовых вычислений, разработанных на сегодняшний день, основаны на сверхпроводящих кубитах — крошечных схемах из сверхпроводящих материалов.

Несмотря на хорошую производительность, большинство сверхпроводящих квантовых процессоров всё ещё имеют существенные ограничения, препятствующие их масштабированию и развёртыванию. К ним относятся частотная перегруженность (т.е. интерференция между несколькими кубитами с перекрывающимися резонансными частотами) и трудности, связанные с управлением или измерением нескольких кубитов.

Чтобы преодолеть эти ограничения, некоторые физики и инженеры исследуют возможность реализации распределённых квантовых вычислений, которые предполагают соединение нескольких меньших процессоров, действующих как одна большая система. Это потребует создания так называемых запутывающих ворот — инструкций, которые одновременно действуют на два или более кубита и связывают их посредством квантово-механического эффекта, известного как запутанность.

Исследователи из Пекинской академии квантовой информатики и Китайской академии наук недавно представили новый подход к созданию высокоточных запутывающих ворот между двумя удалёнными сверхпроводящими квантовыми процессорами. В недавней статье, опубликованной в Physical Review Letters, они сообщили о реализации высокоточных запутывающих ворот между двумя процессорами, находящимися на расстоянии 30 см друг от друга.

«Эта работа началась с вопроса, заданного доктором Фэй Яном (одним из соавторов) в прошлом году», — рассказал Phys.org соавтор статьи Вэнь-Ган Чжан. «Он спросил: „Можем ли мы реализовать двухкубитный запутывающий ворот между двумя удалёнными квантовыми чипами?“

«Как отмечено в статье, удалённые соединения между квантовыми чипами демонстрировались и ранее. Однако эти реализации неизменно полагались на передачу квантового состояния (QST), процесс, по своей природе непригодный для квантовых вычислений на основе схем. Другими словами, QST не может напрямую обеспечить универсальные квантовые вычисления».

Основной целью недавнего исследования команды было преодоление ограничений подходов на основе QST для реализации запутывающих ворот между удалёнными квантовыми чипами. Примечательно, что исследователям удалось реализовать два широко используемых двухкубитных запутывающих ворота, известных как CNOT и CZ.

«Мы реализовали двухкубитные запутывающие ворота (идеальный запутыватель), используя эффект кросс-резонанса», — пояснил Чжан. «Этот эффект широко используется для реализации запутывающих ворот между сверхпроводящими кубитами, которые находятся рядом на одном чипе. В тех работах кубиты связаны конденсаторами между собой. Наша идея в том, что линейный гармонический осциллятор также можно использовать для связи двух кубитов, а длинный микроволновый кабель можно рассматривать как микроволновый резонатор».

Фотография и схема цепи удалённо связанной системы. (a) Фотография, показывающая два корпуса, соединённых сверхпроводящим коаксиальным кабелем. Каждый медный держатель образца имеет небольшую катушку, установленную внутри каждого корпуса и под чипом. Врезка: компоновка одного чипа, состоящего из линии передачи (оранжевый), резонатора (фиолетовый), трансмон (зелёный) и полуволнового копланарного волновода (HW-CPW, красный). (b) Схема цепи и 15-я стоячая волна тока внутри кабеля. Автор: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/npr7-b7kq

В рамках своего исследования учёные изучили возможность использования микроволнового кабеля для связи удалённых кубитов. Впоследствии они использовали эффект, известный как «перекрёстный эффект», для реализации желаемых запутывающих ворот.

«Эта работа демонстрирует первый прямой двухкубитный ворот между разными квантовыми чипами с такой высокой точностью», — сказал Чжан. «Примечательно, что протокол чрезвычайно прост в реализации и не требует дополнительных кубитов или линий управления. Мы считаем, что это будет ключевым строительным блоком для распределённых квантовых вычислений».

Эта недавняя работа Чжана и его коллег вскоре может открыть новые захватывающие возможности для реализации универсальной и распределённой квантовой обработки информации. В будущем методы, использованные в этом исследовании, также могут быть применены для связи кубитов в одном квантовом чипе, потенциально позволяя реализовать квантовые коды коррекции ошибок LDPC (т.е. коды, предназначенные для обнаружения и исправления ошибок, совершаемых квантовыми компьютерами).

«Пока что мы реализовали простую демонстрацию двухкубитного запутывающего ворота между двумя удалёнными чипами», — добавил Чжан. «В будущем мы планируем создать более крупные чипы, содержащие ~100 кубитов, и запутать их вместе, чтобы в конечном итоге достичь цели распределённых квантовых вычислений. Кроме того, микроволновый кабель приварен к чипу. Мы хотим сделать его plug-and-play, чтобы можно было заменить один из чипов, не извлекая всю систему из разбавляющего холодильника».

Больше информации: Juan Song et al, Realization of High-Fidelity Perfect Entanglers between Remote Superconducting Quantum Processors, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/npr7-b7kq.