Новый протокол снижает стоимость подготовки магических состояний для квантовых вычислений

Развертка стабилизаторной группы X-типа квантового кода Адамара-Рида-Маллера в 2D-компоновке. (a) Каждый кубит квантового кода (слева) соответствует красному кубиту в развернутом коде (справа). Для обеспечения связи с ближайшими соседями вводятся четыре дополнительных кубита данных вместе со стабилизаторами веса 2. Код повторения, который будет содержать выходное магическое состояние (зеленый), объединяется с развернутым кодом через совместное измерение XRMXrep (оранжевый). (b) Логическая схема, соответствующая развернутому протоколу дистилляции. Автор: arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2507.12511

Исследователи из Alice & Bob и Университета PSL CNRS разработали новый протокол «развернутой дистилляции», который значительно снижает ресурсы, необходимые для подготовки магических состояний — специальных квантовых состояний, необходимых для реализации универсальных квантовых вычислений.

Традиционные методы дистилляции магических состояний требуют большого количества защищенных от ошибок кубитов и множества раундов коррекции ошибок, что ограничивало их практическое применение. Новый подход, представленный в статье на arXiv, позволяет подготовить магические состояния с меньшим числом кубитов и операций, при условии что кубиты обладают шумовой асимметрией (noise bias).

Ресурсы, необходимые для подготовки магических состояний с использованием шум-асимметричных кошачьих кубитов Alice & Bob, по сравнению с современными схемами, использующими неасимметричные кубиты. Автор: Ruiz et al.

«Нашей главной целью было определить, насколько мы можем снизить стоимость подготовки магических состояний для архитектуры кубитов с шумовой асимметрией», — пояснил автор работы Диего Руис. — Магические состояния — ключевая часть квантовых вычислений, так как они позволяют реализовать все вентили, необходимые для выполнения любого квантового алгоритма».

Метод «развернутой дистилляции» работает на физическом уровне, а не на логическом, как традиционные подходы, что и позволяет снизить затраты. Он использует код Рида-Маллера, развернутый в 2D-архитектуре, что делает его совместимым с современными аппаратными платформами, такими как сверхпроводящие кубиты и кошачьи кубиты.

«Наша конструкция запускает дистилляцию на физическом уровне, используя тот факт, что кубиты с шумовой асимметрией устраняют необходимость в некоторых проверках ошибок», — отметил Руис.

Симуляции показали, что протокол достигает логической частоты ошибок около 10⁻⁷, используя на порядок меньше кубит-циклов, чем современные схемы. Это открывает путь к созданию более компактных и экономичных систем для отказоустойчивых квантовых вычислений.