Динамические поверхностные коды открывают новые возможности для квантовой коррекции ошибок.

Мы представляем результаты, демонстрирующие работу новых динамических схем для квантовой коррекции ошибок, превосходящих их статические аналоги за счет использования меньшего количества соединителей, устранения коррелированных ошибок и применения другого типа квантового вентиля.

Быстрые ссылки

• Бумага
• Делиться
  • Скопировать ссылку ×

Квантовая коррекция ошибок (ККО) имеет решающее значение для достижения сверхнизкой частоты ошибок, необходимой для эффективных квантовых алгоритмов. В Google Quantum AI наши квантовые процессоры используют физические кубиты, построенные из небольших сверхпроводящих цепей, которые подвержены шуму. ККО позволяет нам объединять множество физических кубитов в логические кубиты, устойчивые к шуму.

В декабре 2024 года мы объявили, что работа функции коррекции ошибок на нашем квантовом процессоре Willow оказалась ниже порогового значения , что свидетельствует об экспоненциальном увеличении устойчивости логического кубита к ошибкам по мере добавления большего количества физических кубитов. В этой демонстрации использовался поверхностный код для высокопроизводительной квантовой коррекции ошибок. Во время работы этого поверхностного кода мы использовали статическую схему, то есть один и тот же согласованный набор базовых физических операций выполнялся многократно для измерения и исправления ошибок. Эти статические схемы, хотя и полезны для реализации квантовой коррекции ошибок на устройстве с полной производительностью, ограничивают возможность предотвращения «выпадений» — сбоев кубитов или соединителей.

Код поверхности с расстоянием 5. Каждый круг представляет собой кубит данных, каждый ромб — кубит измерения, а кубиты соединены на квадратной решетке.

Сегодня в статье «Демонстрация динамических поверхностных кодов», недавно опубликованной в журнале Nature Physics , мы рады сообщить об экспериментальной демонстрации поверхностного кода, работающего с динамическими схемами. В отличие от своих статических аналогов, эти динамические схемы обнаруживают ошибки, чередуя различные конструкции схем, что обеспечивает большую гибкость в выборе типов вентилей, связности и подавления коррелированных ошибок. Использование динамических схем позволяет нам обойти некоторые из основных проблем, с которыми сталкиваются сверхпроводящие кубиты, такие как утечка из вычислительного подпространства, ограничения на компоновку оборудования и выпадение кубитов.

Физические ошибки определяются методом триангуляции с использованием областей обнаружения.

Основной принцип квантовой коррекции ошибок (QEC) заключается в выявлении физических ошибок без дестабилизации лежащей в их основе логической квантовой информации. Схемы QEC содержат измерения, позволяющие локализовать физические ошибки в «области обнаружения», содержащей несколько кубитов в течение нескольких циклов QEC. Другими словами, когда ошибка выявлена, область обнаружения указывает, где и когда эта ошибка могла произойти. Объединяя множество перекрывающихся областей обнаружения, мы можем сузить область обнаружения физических ошибок и предотвратить любое влияние на логическую квантовую информацию. В стандартных схемах поверхностного кода эти области обнаружения образуют квадратную мозаику.

Схемы коррекции ошибок деформируют эти области обнаружения в пространстве-времени. В стандартном коде мозаичное расположение областей обнаружения всегда возвращается к исходной точке. В динамических кодах мозаичное расположение областей обнаружения изменяется в каждом цикле. Как будет подробно описано ниже, мы продемонстрировали три новые схемы, использующие это периодическое перемозаичное расположение областей обнаружения: гексагональную , шагающую и iSWAP . Каждая из этих трех схем решает уникальную задачу в QEC: гексагональные схемы уменьшают количество связующих элементов, шагающие схемы ограничивают ошибки, не связанные с вычислениями, а схемы iSWAP позволяют использовать нестандартные двухкубитные запутывающие вентили. Вместе эти демонстрации открывают двери для множества динамических схем, включая те, которые позволяют избежать выпадения битов.

Заштрихованные красным и синим цветом области представляют собой области обнаружения в конце цикла QEC. В то время как стандартная схема использует статическое расположение элементов в конце цикла, наши динамические схемы чередуют два различных варианта расположения элементов.

Квантовая коррекция ошибок на гексагональной решетке

В нашей архитектуре Willow каждый физический кубит соединен со своими четырьмя ближайшими соседями, образуя квадратную решетку. Такое расположение соединений позволяет использовать вентили между соседними кубитами, но также накладывает ограничения на проектирование, такие как дополнительные провода, необходимые для управления соединителями между кубитами. Реализация коррекции ошибок на гексагональной решетке позволила бы каждому кубиту соединяться только с тремя соседями вместо четырех, что упростило бы проектирование и процесс изготовления этих больших микросхем и повысило бы производительность оборудования.

Для достижения коррекции ошибок с использованием всего трех соединителей на кубит мы применяем динамические схемы, которые включают два различных типа циклов коррекции ошибок. Оба типа циклов используют три соединителя на кубит, при этом один соединитель используется дважды в течение цикла. В результате получается квантовая схема коррекции ошибок с динамическими, перекрывающимися областями обнаружения, которая по-прежнему может использоваться для триангуляции ошибок, но требует всего трех соединителей на кубит.

Мы протестировали эту схему коррекции ошибок с тремя соединителями на нашем процессоре Willow, который имеет квадратную структуру соединений. Для измерения гексагонального кода мы отключили все неиспользуемые соединители, чтобы имитировать производительность гексагональной структуры соединений. Мы обнаружили, что по мере увеличения расстояния кода от 3 до 5 частота логических ошибок улучшается в 2,15 раза, что соответствует производительности традиционной статической схемы, работающей на том же оборудовании, которую мы представили в нашем знаменательном эксперименте в прошлом году.

Наши результаты демонстрируют возможность построения гексагональной кубитной решетки для квантовой коррекции ошибок — пространства проектных решений, которое мы тщательно исследовали в ходе моделирования. Использование гексагональной решетки позволяет значительно снизить сложность алгоритмов оптимизации для выбора частот кубитов и вентилей. Это упрощение приводит к улучшению коэффициента подавления ошибок в моделировании на 15%, демонстрируя новые возможности, открывающиеся благодаря разработке процессора с тремя соединителями на кубит, а не с четырьмя.

Слева: Эффективность коррекции ошибок гексагональной динамической схемы на нашем процессоре Willow для кодов с расстоянием 3 (красный) и расстоянием 5 (синий). Справа: Сравнительное моделирование гексагональной решетки (синий) и квадратной решетки (красный) для квантовой коррекции ошибок.

Смена ролей кубитов данных и измерения

Хотя кубит в своей основе определяется двумя квантовыми состояниями, |0⟩ и |1⟩, наши физические сверхпроводящие схемы обладают дополнительными состояниями с более высокой энергией, не используемыми в вычислениях или коррекции ошибок. Когда кубит переходит в эти состояния с более высокой энергией — явление, известное как утечка , — это может вызывать коррелированные ошибки, снижая эффективность квантовой коррекции ошибок. Мы можем устранить эту утечку на мерных кубитах с помощью метода сброса утечки, и мы показали, что ее можно устранить на данных кубитах с помощью специальной последовательности вентилей, называемой удалением утечки данных из кубита (DQLR). Однако такая последовательность DQLR вводит в схему новые вентили, добавляя сложность и дополнительные источники возможных ошибок.

Используя динамические схемы, мы можем реализовать коррекцию ошибок с помощью схемы, которая периодически меняет местами роли «данных» и «измерительных» кубитов. Таким образом, простой сброс утечки, применяемый к измерительным кубитам, теперь может быть применен ко всем кубитам без каких-либо дополнительных вентилей в цикле квантовой коррекции ошибок. Мы называем эту периодическую смену кубитов « шагающей схемой» , поскольку она позволяет логическому кубиту перемещаться по устройству, покачиваясь взад и вперед в процессе.

Ниже показано, как наша схема с шагающим детектором может уменьшить дополнительные коррелированные ошибки, вызванные утечкой. Точки на графике показывают, как коррелируют детекторы, разделенные многими циклами, причем более низкие значения указывают на меньшее количество коррелированных ошибок. В нашей стандартной схеме эти корреляции сохраняются до 40 циклов. Используя шагающий детектор (зеленый цвет), мы значительно уменьшаем эти корреляции более чем на порядок. Более того, этот уровень подавления соответствует нашему стандартному поверхностному коду, использующему метод DQLR.

Временные коррелированные ошибки, измеренные в различных схемах коррекции ошибок (чем ниже значение, тем лучше).

Уступите дорогу воротам iSWAP

В традиционных схемах коррекции ошибок поверхностного кода для запутывания данных и измерения кубитов используется управляемый Z-вентиль (CZ). Однако в нашей недавней демонстрации проверяемого квантового преимущества мы использовали другой тип квантового вентиля, называемый вентилем iSWAP. Этот вентиль iSWAP меняет местами состояния кубитов, одновременно выполняя управляемую Z-операцию (CZ). В отличие от вентиля CZ, вентиль iSWAP не зависит от невычислительных состояний для своей реализации. В результате вентиль iSWAP генерирует меньше коррелированных ошибок, вызванных утечкой.

Превосходные свойства вентиля iSWAP поднимают вопрос: можно ли использовать вентиль iSWAP для квантовой коррекции ошибок вместо вентиля CZ? Как показано в наших предыдущих теоретических работах, вентиль iSWAP можно использовать в динамической схеме для реализации коррекции ошибок поверхностного кода. Мы демонстрируем такую схему на нашем сверхпроводящем процессоре Willow, достигая высокого коэффициента подавления ошибок 1,56. Эта производительность немного ниже, чем у стандартной схемы с использованием вентилей CZ, поскольку наше устройство было разработано и оптимизировано для коррекции ошибок с помощью вентиля CZ, но наша демонстрация этого кода iSWAP подтверждает жизнеспособность вентиля iSWAP для коррекции ошибок, открывая путь для будущих разработок устройств, оптимизированных для этого вентиля.

Эффективность коррекции ошибок в коде iSWAP на нашем процессоре Willow.

Что дальше?

Наши демонстрации коррекции ошибок доказывают, что динамические схемы являются жизнеспособным подходом к отказоустойчивости. Снимая ограничения на связность и расширяя наборы допустимых вентилей, динамические схемы открывают новые возможности для совместного проектирования квантового оборудования и протоколов коррекции ошибок. Заметным преимуществом этих динамических схем является их способность обходить «выпадения» в наших квантовых кодах коррекции ошибок — явление, при котором определенные кубиты или соединители выходят из строя.

Эти демонстрации, наряду с нашей недавней операцией с цветовым кодированием на архитектуре Willow, убедительно доказывают жизнеспособность коррекции ошибок за пределами традиционной модели статического поверхностного кода. Наши результаты приближают нас к следующему рубежу: созданию долгоживущего логического кубита с частотой ошибок менее одной ошибки на миллион циклов коррекции ошибок.

Благодарности

Основной вклад в эту работу внесли Алек Эйкбуш, Мэтт Макьюэн и Алексис Морван.

Источник: research.google