Nord Quantique розвиває технології логічних кубітів в одному модулі

Автор: Джон Тіммер • 6 червня 2025 року

Вступ

Квантова корекція помилок є основою стійкого до помилок квантового обчислення. Практично кожен провідний постачальник об’єднує десятки або навіть сотні фізичних кубітів для формування одного логічного кубіта. Однак компанія Nord Quantique обрала радикально інший підхід: вона вбудовує кубіт з корекцією помилок у єдиний надпровідний резонатор, використовуючи два різних частотних діапазони фотонів. У цій статті розглядаються останні експериментальні результати компанії, детально описуються технічні характеристики, експертні оцінки та порівняння з конкурентними архітектурами.

Передумови: Бозонні коди в надпровідних кавітетах

Традиційні схеми корекції помилок, такі як поверхневі коди, кодують один логічний кубіт через безліч двохрівневих трансмонов. Бозонні коди, навпаки, використовують безмежний простір Гільберта гармонійного осцилятора. Заповнюючи мікрохвильову кавіту кількома фотонами в ретельно налаштованих суперпозиціях, можна виявити та потенційно виправити події втрати фотонів і декогерентності.

• Однорівневі бозонні коди: Раніше проведені експерименти використовували кавіту з одночастотною підтримкою кодів Шредінгера або біномних кодів. Для цього потрібен був допоміжний трансмон для перевірки парності та синдромів втрати.
• Багаторівневе зберігання: Останні дослідження розширили ємність до кютритів (3 стани) та кюквартів (4 стани), враховуючи кілька рівнів Фока в одному режимі.

Двомодальна архітектура Nord Quantique

Останній пристрій Nord Quantique інтегрує два резонансні стовпчики в єдину тривимірну алюмінієву кавіту, кожен з яких налаштований на різну частоту (ω₁≈6.5 ГГц і ω₂≈7.2 ГГц). Цей двомодальний дизайн забезпечує два незалежні набори маніфолдів станів Фока:

1. Режим A (ω₁): Виконує роль основного режиму зберігання, заповненого до N=4 фотонами відповідно до біномного коду.
2. Режим B (ω₂): Виконує функцію як зберігання, так і внутрішнього каналу резервування, містячи до M=3 фотонів.

Спільний фотонний стан обох режимів визначає логічний кубіт: |0_L⟩ та |1_L⟩ є спеціально налаштованими суперпозиціями станів Фока |n_A,m_B⟩. Один трансмон-ансила, дисперсійно зв’язаний (χ≈2π×200 кГц) з обома режимами, виконує недеструктивні вимірювання синдромів через перевірки парності в стилі Рамзі.

Експериментальні результати: Виявлення помилок

У своєму пре-принті червня 2025 року та супутньому виступі на конференції Q2B у Сан-Франциско, Nord Quantique представила два основні експерименти:

1. Кумулятивне виявлення помилок: Команда провела 25 послідовних вимірювань синдромів, кожен цикл тривав 5 мікросекунд, включаючи зчитування через Джозефсонівський параметричний підсилювач. Індивідуальна ймовірність помилки за раунд становила 12%, переважно через втрати фотонів (Γ_loss≈1/200 мкс) та декогерентність (T_ϕ≈150 мкс). Після ~20 раундів майже всі запуски зазнали принаймні однієї виявленої помилки.
2. Валідація після вибору: Відкидаючи будь-який випадок, що викликав помилку, залишений підмножок запусків не показав жодних виявлених помилок до 25 циклів. Ця “плоска” вірність підтверджує, що двомодальна схема може однозначно ідентифікувати кожну подію втрати фотонів або зміни парності.

“З двома частотами ми можемо виявити не лише втрату одного фотона в одному режимі, але й корельовані помилки між режимами,” зазначив технічний директор Жюльєн Каміран Лемір. “Це створює впевненість у тому, що розширення коду для активної корекції цих помилок дозволить отримати довговічні логічні кубіти.”

Технічний аналіз: Двомодальні бозонні коди

Реалізація логічного кубіта в двомодальній кавіті вимагає точної калібровки перехресних Керрових (χ_AB≈2π×50 кГц) та самокеррових нелінійностей, щоб уникнути спотворення кодових слів. Основні технічні завдання включають:

• Стабільність частоти режиму: Температура та механічні вібрації можуть зсувати ω₁, ω₂ на кілька кГц. Активне блокування Пауна–Древера–Холла підтримує стабільність обох режимів в межах ±100 Гц.
• Когерентність ансили: T₁≈75 мкс та T₂≈50 мкс трансмона встановлюють верхню межу на точність зчитування синдромів. Nord Quantique впровадила фільтри Пурчелла для зменшення витоків до середовища 50 Ω.
• Витягнення синдромів: Багаточастотні селективні імпульси розділяють операції перевірки парності для Режиму A та Режиму B в межах одного 100 нс вікна, мінімізуючи перехресні впливи та зворотні дії.

Порівняльний аналіз: Одномодульні та багатокубітні архітектури

Ведучі гравці індустрії обирають різні шляхи:

• Поверхневі коди (IBM, Google): Вимагають ≥1,000 фізичних трансмонів на один логічний кубіт; висока стійкість до помилок, але величезні витрати на апаратуру.
• Коди котів (Quantinuum): Використовують однорівневі кавіти з котячими станами, доповнені зовнішніми кубітами; продемонстрована корекція до 10⁴ циклів.
• Затримані іони та нейтральні атоми: Пропонують рідні багаторівневі системи, але вимагають складних лазерних систем і вакуумних камер.

Одномодульний, двочастотний бозонний код Nord Quantique займає мінімальну площу та навантаження охолодження. Якщо його розширити до активної корекції, це може дозволити реалізувати сотні логічних кубітів на одній платформі криостата.

Перспективи майбутнього та виклики масштабування

Активна корекція помилок, включаючи зворотний зв’язок у реальному часі на основі результатів синдромів, є наступним етапом. Nord Quantique планує інтегрувати контролери на базі FPGA з латентністю <100 нс для застосування умовних мікрохвильових імпульсів та ін'єкцій фотонів. Масштабування до кількох логічних кубітів вимагатиме частотного мультиплексування в межах одного 3D-обсягу та нових конкатенацій кодів для обробки взаємодій між модулями.

“Наша мета на четвертий квартал 2025 року — продемонструвати логічні ворота між двома одномодульними кубітами,” розповів Каміран Лемір. “Це перевірить когерентність міжмодульного зв’язку в межах кавіт.”

Експертні думки

Доктор Олена Гарсія з Центру квантової інженерії MIT зазначає: “Двомодальний підхід Nord Quantique є привабливою альтернативою великим трансмонним решіткам. Він ефективно використовує природний бозонний простір Гільберта, хоча активний зворотний зв’язок буде критично важливим для досягнення порогів стійкості до помилок.”

У той же час, аналітик індустрії Маркос Сілва з Quantum Insights зауважує: “Одномодульні логічні кубіти знижують капітальні витрати та витрати на кріогеніку. Ключовим фактором буде щільність інтеграції — скільки різних режимів ви зможете вмістити, перш ніж перехресні впливи та складність контролю стануть домінуючими?”

Висновок

Демонстрація виявлення помилок у єдиному апаратному модулі компанії Nord Quantique є важливим кроком на шляху до компактних, ресурсоефективних квантових процесорів. З амбітними планами для активної корекції та багатокубітних воріт компанія займає позицію на передовій архітектур бозонних кодів. Чи зможе цей підхід перевершити багатокубітні поверхневі коди, залежить від реального масштабування та стабільності роботи.