Ученые нашли способ создания крупных квантовых компьютеров с неидеальными соединениями

(Цветное онлайн) (a) Измерение DL для двух кубитов данных через границу. Слева: ZZ произведение; Справа: XX произведение. (b) то же для CAT устройства. (c) то же для GT устройства. Красные пунктирные линии указывают местоположение интерфейса. Автор: Мохамед А. Шалби и др.

Хотя квантовые компьютеры уже используются для исследований в области химии, материаловедения и безопасности данных, большинство из них все еще слишком малы для крупномасштабных приложений. Исследование под руководством ученых из Калифорнийского университета в Риверсайде показывает, как можно создавать «масштабируемые» квантовые архитектуры — системы, состоящие из множества небольших чипов, работающих вместе как один мощный блок.

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review A, исследователи смоделировали реалистичные архитектуры и обнаружили, что даже неидеальные соединения между квантовыми чипами могут производить функционирующую отказоустойчивую квантовую систему — это прорыв в масштабировании квантового оборудования.

«Наша работа не об изобретении нового чипа, — сказал Мохамед А. Шалби, первый автор статьи и докторант кафедры физики и астрономии UCR. — Она показывает, что чипы, которые у нас уже есть, можно соединить для создания чего-то гораздо большего, и они все равно будут работать. Это фундаментальный сдвиг в том, как мы строим квантовые системы».

Масштабирование означает обработку растущих объемов данных без сбоев производительности. Отказоустойчивость означает, что квантовая система может автоматически обнаруживать и исправлять ошибки, обеспечивая надежные результаты даже с неидеальным оборудованием.

«На практике соединение нескольких меньших чипов было трудным, — отметил Шалби. — Соединения между отдельными чипами — особенно теми, которые размещены в отдельных криогенных холодильниках — гораздо более шумные, чем операции внутри одного чипа. Этот повышенный шум может перегрузить систему и помешать правильной работе коррекции ошибок».

Однако команда под руководством UCR обнаружила, что даже когда соединения между чипами были в 10 раз более шумными, чем сами чипы, система все равно могла обнаруживать и исправлять ошибки.

«Это означает, что нам не нужно ждать идеального оборудования для масштабирования квантовых компьютеров, — объяснил Шалби. — Теперь мы знаем, что пока каждый чип работает с высокой точностью, соединения между ними могут быть «достаточно хорошими» — не идеальными — и мы все равно можем построить отказоустойчивую систему».

Шалби пояснил, что в квантовых вычислениях, где кубит является базовой единицей информации, достижение надежной производительности требует большего, чем просто создание нескольких кубитов. По его словам, сегодня отдельные «логические» кубиты должны строиться из кластеров многих физических кубитов, часто сотен или тысяч. Эта избыточность помогает исправлять ошибки, которые естественным образом возникают в хрупких квантовых системах.

Согласно Шалби, наиболее широко используемая техника коррекции ошибок называется поверхностным кодом, а «чип поверхностного кода» — это квантовый процессор, разработанный вокруг этого метода. Он сказал, что такие чипы могут кодировать высокоточные логические кубиты, управляя ошибками и исправляя их в рамках своей собственной архитектуры.

Открытие команды основано на тысячах симуляций различных архитектур и методов соединения. Исследователи протестировали шесть различных модульных конструкций при различных уровнях ошибок и шума, используя реалистичные параметры, вдохновленные существующей квантовой инфраструктурой Google.

«До сих пор большинство квантовых вех были сосредоточены на увеличении количества кубитов, — сказал Шалби. — Но без отказоустойчивости эти кубиты бесполезны. Наша работа показывает, что мы можем создавать системы, которые одновременно масштабируемы и надежны — сейчас, а не через годы».

В исследовании вместе с Шалби участвовали Леонид П. Прядко и Жэньюй Ван из UCR, а также Денис Седов из Штутгартского университета в Германии.

Больше информации: Mohamed A. Shalby et al, Optimized noise-resilient surface code teleportation interfaces, Physical Review A (2025). DOI: 10.1103/xqrn-wdw1. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2503.04968

Источник: University of California - Riverside