Поза кубітами: Зростання квітритів і кваквартів

Вступ: Вихід за межі бінарності в квантових обчисленнях

Класичні обчислення ґрунтуються на бітах, які можуть перебувати в одному з двох чітких станів: 0 або 1. Квантові обчислення значною мірою зберігають цю парадигму з кубітами, які, коли їх вимірюють, переходять у два можливі результати. Проте багато фізичних систем відкривають доступ до більш ніж двох рівнів. Використовуючи ці додаткові ступені свободи, дослідники почали створювати квдити — квантові одиниці, які можуть мати три стани (кутрити) або чотири стани (квкварти) та більше. Стаття, опублікована в Nature (DOI: 10.1038/s41586-025-08899-y) у травні цього року, повідомляє про перше демонстраційне застосування корекції помилок у багаторівневій квантовій пам’яті, що є важливим кроком до компактних, високопродуктивних квантових процесорів.

Від транзмонів до багаторівневих осциляторів

Експеримент зосереджений на суперпровідному транзмоні, який з’єднано з мікрохвильовою резонатором високого Q. Хоча сам транзмон надає зручний інтерфейс для двоєдиного контролю та зчитування, прикріплений резонатор може підтримувати кілька станів з кількістю фотонів (стани Фока) або режими інтерференції. Заповнюючи резонатор 0–3 фотонами, команда змогла реалізувати кутрити (тривимірні суперпозиції) та квкварти (чотиривимірні суперпозиції) в межах одного фізичного пристрою.

• Частота роботи: ~6 ГГц для транзмона; ~7–8 ГГц для мод резонатора.
• Час когерентності (T1): 50–100 мкс для кубіта, знижується до 10–30 мкс для квквартів без корекції.
• Кросс-Керр зв’язок: ~200 кГц, що дозволяє селективно контролювати окремі стани Фока.

Додавання фотонів підвищує густину режимів, але також збільшує швидкість втрати фотонів через посилені діелектричні та провідникові втрати. Цей компроміс призводить до скорочення тривалості життя, оскільки ми вміщуємо більше квантової інформації в один резонатор.

Корекція помилок для квдитів: експериментальний прорив

Щоб протидіяти прискореній декогеренції, дослідники впровадили перший протокол корекції помилок для квдитів. Вони використали слабкі (недемонстраційні) вимірювання через анцилярний транзмон для виявлення змін у стані резонатора без руйнування суперпозиції. Послідовність адаптивних імпульсів зворотного зв’язку, оптимізованих алгоритмом навчання з підкріпленням, відновила запланований багаторівневий стан.

• Покращення тривалості життя: ~1,8× для платформ кубітів, кутритів і квквартів.
• Кутрит з корекцією: T1 ≈ 60 мкс (порівняно з некоректованим кубітом).
• Квкварт з корекцією: T1 ≈ 45 мкс (перевищує некоректований кутрит).

Ці результати підтверджують, що корекція помилок може частково компенсувати підвищену швидкість помилок, властиву зберіганню вищих вимірів. Хоча це все ще є доказом принципу — і ще не інтегровано в багатоквдитні процесори — експеримент прокладає шлях до більш щільних квантових модулів пам’яті.

Виклики реалізації апаратного забезпечення

Розширення архітектур квдитів до обчислювально значущих розмірів вимагає подолання кількох труднощів:

• Спектральне скупчення: Відрізняти переходи між сусідніми рівнями вимагає високої спектральної роздільної здатності та сильної ангармонічності.
• Складність контролю: Необхідні багаточастотні імпульси управління та точна калібрування для маніпуляцій з 3+ рівнями без витоків.
• Перехресні зв’язки: Вищі числа фотонів посилюють нелінійні зв’язки, які можуть заплутувати небажані режими.

Потенційні рішення включають інженерні елементи схем для збільшення простору між режимами (наприклад, кубіти флуксонію) та оптимальну теорію контролю для розробки надійних багатотональних імпульсів.

Глибше занурення: Коди корекції помилок для квдитів

Традиційні коди корекції квантових помилок (як код поверхні) припускають бінарні системи. Розширення цих рамок до квдитів може призвести до покращення порогів та масштабування ресурсів:

• Генералізовані стабілізаторні коди: Використовують оператори Z_d та X_d, що діють на d-рівневі системи.
• Прапорні квдити: Додаткові рівні контролюють кілька синдромів помилок з меншим числом фізичних компонентів.
• Логічне кодування: Один квкварт може кодувати два логічні кубіти за певними гібридними схемами.

Недавні теоретичні дослідження з MIT та ETH Zurich свідчать про те, що коди поверхні для квдитів можуть перевершити версії для кубітів, зменшуючи накладні витрати на ворота приблизно на 30% при подібних швидкостях помилок.

Порівняльний аналіз: Кубіти, кутрити та квкварти

Майбутні напрямки та застосування

Лідери галузі, такі як IBM Quantum та IonQ, вже досліджують модулі кутритів для більш ефективних регістрів з корекцією помилок. Паралельно фотонні платформи використовують орбітальний кутовий момент для реалізації квдитів з мінімальними перехресними зв’язками. Потенційні застосування:

• Квантове моделювання: Природне відображення систем спіну-1 (кутритів) у хімії та конденсованих матеріалах.
• Безпечні комунікації: Протоколи квантового розподілу ключів на основі квдитів можуть збільшити пропускну здатність каналу та опір до перехоплення.
• Квантове машинне навчання: Кодування більшої кількості інформації на один фізичний носій може прискорити завантаження та обробку даних.

Оскільки квантове апаратне забезпечення продовжує розвиватися, багаторівневе кодування виступає як перспективна стратегія для максимізації обчислювальної щільності та наближення до реальності машин з помилками, стійкими до збоїв.