Платформа Azure Quantum: Блакитний принт для крос-платформенної корекції квантових помилок

Команда Azure Quantum компанії Microsoft представила єдину архітектуру квантової корекції помилок (QEC), розроблену для роботи з різноманітними технологіями кубітів. Використовуючи чотиривимірні геометричні коди та довільну атомну або йонну зв’язність, Azure Quantum має на меті перетворити шумні фізичні кубіти на надійні логічні кубіти з рівнем помилок нижче 10^–6. У цій статті розглядаються технічні основи, виклики інтеграції апаратного забезпечення та порівняльні перспективи схем QEC від провідних постачальників.

1. Стратегія корекції помилок, незалежна від платформи

Замість того, щоб прив’язувати свій стек QEC до однієї модальності кубітів, Microsoft обрала родину 4D гіперкубічних кодів, які можна використовувати на чіпах з надпровідниками, в ланцюгах затриманих іонів або масивах нейтральних атомів. Ключові параметри включають:

• Помилка фізичного кубіта: ~1×10^–3 за гейтом або вимірюванням
• Цільова помилка логічного кубіта: 1×10^–6 або краще
• Відстань коду (d): 8 для варіанту Гадамара, масштабованого до d=12–16
• Надмірність: 96 фізичних → 6 логічних кубітів (Гадамара), 144→12 логічних (відстань-12)

Абстрагуючи код як 4-торусну решітку T_Λ⁴, Microsoft надає формальні докази порогової та одноразової декодувальної продуктивності у своєму нещодавньому препринті.

2. Довільна зв’язність в атомних та йонних системах

На відміну від фіксованих надпровідникових чіпів, платформи нейтральних атомів та затриманих іонів підтримують динамічне переміщення кубітів та фотонно-медіовані гейти. Коди Azure Quantum використовують це, вбудовуючи кожен вузол кубіта в 4D зв’язність:

1. Маршрутизація найближчих сусідів: Атоми переміщуються за допомогою оптичних пінцетів з підмікронною точністю для встановлення ребер 4D гіперкуба.
2. Далекі фотонні зв’язки: Квантова частотна конверсія на 1,550 нм дозволяє заплутування між віддаленими вузлами, зменшуючи надмірність SWAP.
3. Маршрутизація в середині кола: Ланцюги іонів активно переналаштовують гейти без повної декогерентності, використовуючи магнітно-нечутливі гіперфінні стани.

3. Одноразова декодування та слабкі вимірювання

Однією з видатних переваг цієї родини кодів є одноразове виділення синдрому. Як пояснює Крістя Свора, директорка з квантового програмного забезпечення в Microsoft:

“Завдяки лише 1–2 раундам слабких вимірювань декодер може з високою впевненістю виявляти та виправляти помилки Паулі, мінімізуючи нагрівання або депопуляцію, викликані вимірюванням.”

У машинах з нейтральними атомами слабке вимірювання передбачає зони охолодження Рамана на 852 нм, де кубіти зчитуються за допомогою флуоресценції без повного колапсу хвильової функції. Цей підхід обмежує втрати атомів до <1 відсотка за цикл, як показують нещодавні тести вимірювань в середині кола компанії Atom Computing.

4. Набір логічних гейтів та універсальні обчислення

Щоб підтримувати універсальні квантові алгоритми, схема Azure Quantum визначає рідні логічні операції на закодованих кубітах. Підтримувані гейти включають:

• Гейти Кліффорда: X, Z, H, S через трансверсальне застосування по 4D решітці
• Гейти заплутування для двох кубітів: Логічний CNOT через хірургію решітки на сусідніх кодових блоках
• Некліффордівський T-гейт: Дистиляція магічного стану в спеціально виділених кубах, надмірність ≈15× на логічний кубіт

Ці операції були змодельовані на до 500 фізичних кубітах з прогнозованими логічними помилками нижче 10^–9 для глибоких кіл.

5. Виклики інтеграції апаратного забезпечення

Блакитна принт компанії Microsoft щодо QEC чекає на впровадження на апаратному забезпеченні наступного покоління. Основні виклики інтеграції включають:

1. Стабільність лазера: Затримані атомні пастки потребують лазерів з <200 Гц шириною спектру та <1 кГц дрейфом для підтримки когерентності протягом 1000 мкc часу гейту.
2. Тривалість вакууму: Колізії з фоновим газом обмежують утримання атомів до ~30 с; активна заміна повинна перевищувати втрати.
3. Електроніка управління: Латентність FPGA для прийняття рішень в середині кола повинна залишатися нижче 500 нс, щоб уникнути декогерентності під час виділення синдрому.

6. Порівняння з альтернативними дорожніми картами QEC

Підхід IBM з надпровідниками використовує поверхневі коди на 2D решітках, що вимагає індивідуального з’єднання чіпів для кожної відстані коду. На відміну від цього:

• 4D коди Azure Quantum зменшують ланцюги гейтів SWAP на до 75 відсотків на атомних платформах.
• Нещодавня дорожня карта IonQ націлена на 512-іонні лінійні пастки до 2026 року, що може реалізувати варіанти відстані-10 4D кодів з меншими каналами управління.
• Quantinuum досліджує кольорові коди на 3D іонних кристалах, пропонуючи швидшу ін’єкцію магічних станів, але з вищою надмірністю анцилярів.

7. Перспективи експертів

Доктор Лаура Сінклер, голова кафедри квантової інформаційної теорії в MIT, зазначає:

“Чотиривимірні коди елегантно відображаються як в оптичних, так і в електронних мережах кубітів. Властивість одноразового вимірювання особливо обнадійлива для платформ з повільними циклами охолодження.”

CTO IonQ Джунсанг Кім додає:

“Наша майбутня система з 256 іонами протестує ці схеми в масштабах. Реальна валідація є критично важливою, особливо для багатократних декодерів.”

8. Перспективи на майбутнє та дорожня карта

Наступні кроки Azure Quantum залежать від впровадження апаратного забезпечення партнерів:

• Співпраця з Atom Computing: масив з 1,200 атомів у 2026 році, з розширенням до 10,000 у 2027 році, щоб вмістити >100 логічних кубітів.
• Оновлення PASQAL: від 100 до 512 нейтральних атомів з спектральним мультиплексуванням до початку 2026 року.
• Гібридні симулятори: екза-масштабна хмарна еймуляція 4D кодів для бенчмаркінгу застосувань.

9. Висновок

Архітектура корекції помилок Azure Quantum від Microsoft пропонує універсальний, математично обґрунтований шлях до квантових обчислень з помилковими стійкостями. Об’єднуючи підтримку надпровідникових чіпів, затриманих іонів та нейтральних атомів, а також використовуючи геометрії кодів високих вимірів з одноразовим декодуванням, платформа готова адаптуватися до прогресу в апаратному забезпеченні. Майбутні впровадження апаратного забезпечення від Atom Computing, IonQ та Quantinuum нададуть емпіричні результати, необхідні для валідації цих перспективних схем.