Обходной путь для ошибок: как динамическая переадресация спасает квантовые вычисления

Успешный эксперимент по выявлению сбоев в работе квантового компьютера провели российские ученые. Специалисты МФТИ, НИТУ МИСИС и Российского квантового центра применили метод динамической переадресации вспомогательного кубита. Суть подхода в том, что запутывание между элементами, не имеющими прямой связи, происходит путем передачи данных по цепочке соседей. Описание работы опубликовано в Applied Physics Letters.

Главная проблема современных квантовых систем — хрупкость состояния частиц. Из-за внешних шумов и декогеренции данные в физическом кубите живут недолго. Для создания рабочих вычислителей критически важно защищать информацию. Для этого используют коды коррекции: данные распределяются между несколькими физическими носителями, а специальные вспомогательные элементы измеряют «синдромы» — признаки ошибок, не разрушая саму логическую информацию.

Для сверхпроводниковых чипов серьезным барьером остается архитектура связей. Обычно напрямую взаимодействовать могут только соседние элементы. Это сужает выбор алгоритмов защиты. Популярный поверхностный код требует огромного числа кубитов, число которых растет в геометрической прогрессии по мере усложнения задачи.

Ученые решили обойти это ограничение, меняя роли элементов прямо в процессе счета. В предложенном протоколе функция вспомогательного кубита не закреплена за одним местом, а передается от частицы к частице по мере выполнения операций.

Для обмена состояниями нужны квантовые вентили. Один из них, iSWAP, меняет частицы местами. Другой, CZ, меняет фазу системы. В ходе опыта физики использовали именно CZ-вентиль. Это позволило связать логические элементы, не меняя физическую топологию самого чипа и не добавляя в него дальних связей.

Тесты проводились на линейке из трех сверхпроводниковых трансмонов (Q1, Q2, Q3). Целью была фиксация X-ошибок (битовых переворотов). В классическом сценарии центральный кубит (Q2) всегда помогает крайним (Q1 и Q3). В новой схеме роль «помощника» бежит по цепочке: в конце цикла данные остаются в паре Q1-Q2, а результат проверки (синдром) считывается с Q3.

Для оценки точности ученые применили квантовую томографию. Они готовили разные состояния, запускали протокол и восстанавливали итог по результатам замеров. Выяснилось, что точность новых состояний почти не уступает стандартной схеме, хотя сам протокол стал сложнее и длиннее. Отклонения от идеала совпали с расчетами, учитывающими шум и паразитное влияние соседей.

Эксперимент подтвердил: физическим кубитам можно менять «должность» прямо на ходу. Такой маневр помогает сгладить минусы локальной архитектуры без переделки самого процессора.

Алена Казьмина из МФТИ, МИСИС и РКЦ пояснила, что поверхностный код сейчас доминирует, так как он удобен для плоских чипов. Но для масштабирования он слишком прожорлив к ресурсам. Динамическая переадресация открывает путь к новым семействам кодов, которые раньше не могли работать на существующих машинах.

Дарья Калачева из МФТИ отметила, что адаптация защиты под реальные «железо» — задача актуальная. Ценность работы в том, что метод проверен на практике на линейке из трех элементов. Это позволяет искать ошибки даже там, где связи процессора сильно ограничены.

Итог работы: доказано, что динамическое переназначение ролей — рабочий инструмент для защиты данных на локальных платформах. Это поможет адаптировать сложные коды под текущие чипы. Дальнейший путь метода лежит через снижение уровня физических шумов и поиск алгоритмов, для которых слабая связность — не приговор, а условие задачи.

Проект реализован при поддержке программы «Приоритет-2030».

Изображение: разработано Мagnific.