הדגמה של קיוביטים לוגיים משולבים בעלי נאמנות גבוהה באמצעות טרנסמונים

שמירה על קשרים קוונטיים עדינים בחיים

מחשבים קוונטיים מבטיחים לפתור בעיות שמעבירות את מחשבי העל של היום, אבל אבני הבניין שלהם — הקיוביטים — רגישים במיוחד. אפילו הפרעות זעירות מהסביבה יכולות לשבש את הקשרים העדינים, או את ה-entanglement, שמעניקים למכשירים הקוונטיים את כוחם. מאמר זה מציג דרך לשמור זוגות של קיוביטים מקודדים, או "לוגיים", מסובכים לזמן ארוך בהרבה מאשר החומרה הגולמית מאפשרת, באמצעות שילוב חכם של שתי אסטרטגיות הגנה שנבדקו על מעבדי טרנסמונים מוליכי־על של IBM.

מדוע הגנה שגרתית אינה מספיקה

תיקון שגיאות קוונטי סטנדרטי מאחסן מידע על פני מספר קיוביטים פיזיים כך שניתן לזהות ולתקן, בעקרון, טעויות קטנות. אבל לכל קוד לתיקון שגיאות יש עיוותים: דפוסי שגיאות מסוימים נראים כרצף פעולות תקינות על המידע המקודד ומחליקים כה "שגיאות לוגיות" בלתי ניתנות לזיהוי. ככל שמעבדי הקוונטום מתרחבים, אינטראקציות בלתי רצויות בין קיוביטים שכנים — ובעיקר סוג של הפרעה זוג‑קיוביטית הנקראת crosstalk — יכולות ליצור בדיוק את הדפוסים המסוכנים האלה. המרפא הרגיל הוא להגדיל את הקודים ולהפוך אותם למורכבים יותר, מה שהופך במהרה יקר בחומרה ובממשק השליטה.

שילוב שני מגנים לאחד

המחברים מציעים אסטרטגיה היברידית שומרת על הקוד קומפקטי בעוד שהיא מצמצמת במידה רבה את נקודות העיוורון שלו. הם מתחילים מקוד גילוּי שגיאות ארבע‑קיוביטים קומפקטי, שלרוב נכתב [[4,2,2]], שמקודד שני קיוביטים לוגיים בארבעה קיוביטים פיזיים. בנוסף לכך הם מיישמים תיוג דינמי (dynamical decoupling), טכניקה שבה מועברים פולסים מהירים ומתוכננים בקפידה אל הקיוביטים כדי לנטרל את השפעות הרעש לאורך זמן. המהפך המרכזי הוא שהפולסים הללו אינם אקראיים: הם נבחרים מתוך פעולות הסימטריה של הקוד עצמו, שנקראות אלמנטים של ה"נורמלייזר" (normalizer). על ידי הפעלת פולסים עם פעולות המודעות לקוד — גישה שהמחברים כינו normalizer dynamical decoupling — ניתן לממץ בדיוק את ההפרעות שהיו מתחזות לשגיאות לוגיות, מבלי לצאת מהתת‑מרחב המקודד.

מבחן הרעיון על חומרה ממשית

כדי לבדוק האם הסכמה אכן מגנה על המידע, הצוות התרכז באחד המשאבים החשובים והרגישים ביותר במחשוב קוונטי: זוגות בל (Bell) סבוכים. הם השתמשו בקוד הארבע־קיוביטים כדי לקודד שני קיוביטים לוגיים ולהכינם במצבי Bell סבוכים, ואז נתנו למערכת לשהות באדישות על שבבים של טרנסמונים בני 127 קיוביטים של IBM. על‑ידי דיקוד מכוון למצבי Bell שונים ושליפת כל ארבעת הקיוביטים הפיזיים, יכלו החוקרים לקבוע האם קרו שגיאות לוגיות ספציפיות ולעקוב בנפרד אחר כשלים פיזיים רגילים. הם גם הוסיפו פרקי אדישות במעגלי הקידוד והדקוד עם רצפי תיוג דינמי פיזיים ידועים, כך שכל שיפור נוסף יכול היה להיות מיוחס לפולסים הרמתיים־לוגיים החדשים. עיצוב זה אפשר להם להבחין בין הגנה על קיוביט יחיד לבין דיכוי אמיתי של שגיאות לוגיות בקוד.

כמה הגנה נוספת אנו מקבלים?

במכשירים שבהם טרנסמונים שכנים מושכים זה את זה באופן קבוע, ה‑crosstalk הרס מהר זוגות Bell לוגיים בלתי מוגנים: הנאמנות שלהם, מדד לקרבה בין המצב הסופי למצב היעד הסבוך, ירדה לכיוון 20% בתוך כ־10 מיקרו‑שניות והציגה תנודות המונעות על‑ידי אותן אינטראקציות בלתי רצויות. תיוג דינמי פיזי לבדו שיפר את המצב, אך השאיר שגיאות לוגיות משמעותיות. כאשר החוקרים הפעילו את רצפי הפולסים המודעים לקוד, מכוונים לנטרל את ערוצי השגיאה הדומיננטיים ומחוזקים נגד ליקויים בשליטת הבקרה, זוגות Bell לוגיים הופיעו בתוצאות טובות בהרבה. על משכי אחסון עד 55 מיקרו‑שניות, הגרסה הטובה ביותר של השיטה שמרה על נאמנויות ממוצעות של Bell מקודדות בטווח 90–95% ברגע שגם השתמשו בזיהוי השגיאות המובנה של הקוד כדי לשלוף הרצות עם כשלים פיזיים ברורים, ועדיין שמרה על מעל 80% גם ללא התמקדות במערך הקיוביטים הטוב ביותר. לעומת זאת, זוג Bell הטוב ביותר ללא קידוד על אותה חומרה, גם עם תיוג דינמי פיזי חזק, דעך לכ‑70% נאמנות בתקופה המקבילה.