הזרקת מצב קסם על מעבדי הקוונטים של IBM מעל סף הזיקוק

מדוע זה חשוב למחשבים העתידיים

מחשבי הקוונטים הניסיוניים של היום חזקים בתיאוריה אך שבריריים במציאות: ליקויים זעירים מערבבים במהירות את החישובים שלהם. מאמר זה בוחן צעד ממשי לקיבוע אותה שבריריות על חומרת הקוונטים של IBM. המחברים מראים כיצד ליצור באופן אמין מצבי קוונטום מיוחדים — "מצבי קסם" הקריטיים להרצת טווח מלא של אלגוריתמים קוונטיים — תוך שימוש בפחות משאבי חומרה מאשר קודם, ובאיכות גבוהה די הצורך לשימוש מעשי. התוצאות שלהם מרמזות כי חישוב קוונטי חסין-שגיאות נע בהדרגה מהתיאוריה לעבר מציאות מהונדסת.

לבנות בית בטוח יותר למידע קוונטי

כדי לשמור על מידע קוונטי, החוקרים מפזרים אותו על פני מספר רב של קיוביטים פיזיים במבנה מסודר הידוע כקוד משטח. קוד זה מבצע בדיקות שגיאות ללא כך שמביטים ישירות במידע השברירי עצמו. המכשירים של IBM שבהם השתמשו כאן מסדרים את הקיוביטים בפריסת "כבד-משושה" (heavy-hexagon), שבה כל קיוביט נוגע לכל היותר בשלושה שכנים, לעומת רשת ארבע-כיוונית שמופיעה לרוב בספרי לימוד. פריסת החומרה הזו מסבכת את האופן שבו ניתן לצייר ולהפעיל קודי משטח סטנדרטיים. המחברים מאמצים גרסה חסכונית יותר הנקראת קוד משטח מסובב ומתאימים אותו כך שיתיישב באופן טבעי על קישוריות המשולשים של IBM, וכך מקטינים בערך בחצי את מספר הקיוביטים הנדרשים בהשוואה לגישות קודמות עבור גדלים גדולים של הקוד.

להתאים את הקוד לחומרה

בגרסה ספרותית של קוד המשטח, בדיקות מרובי-קיוביטים מסוימות, המוכרות כיציבים (stabilizers), פועלות על ארבעה קיוביטים בו-זמנית. על שבבים בכיווניות heavy-hexagon של IBM הדבר אינו אפשרי ישירות בגלל חיבורים מוגבלים. המחברים פותרים זאת על ידי "קיפול" כל בדיקת ארבעה-קיוביטים לסדרה של בדיקות פשטניות דו-קיוביטיות תוך שימוש בקיוביטים גשר כתיווכים. לאחר מכן הם "מפתחים" את ההמרה כדי לשחזר את המבנה הלוגי המקורי. בקצוות החיצוניים של הקוד, שבהם יש פחות שכנים זמינים, הם מעצבים בקפידה בדיקות דו-קיוביט ואחת-קיוביט קטנות יותר שעדיין משתלבות באותו קצב פעולות כללי. סימולציות תחת מודל רעש ריאלי מראות שהפריסה המסובבת הזו לא רק שומרת על ביצועים, אלא משתפרת במעט ביחס לקודי heavy-hexagon קודמים, עם ספי סובלנות לשגיאות פיזיות בסביבות שלוש עד ארבע שגיאות בכל אלף פעולות.

הזרקת נגיעה של קסם קוונטי

הגנה על המידע היא רק חצי מהסיפור. כדי להריץ אלגוריתמים קוונטיים אוניברסליים באמת, על מחשב הקוונטום לבצע גם פעולות מיוחדות שלא ניתנות לבנייה רק מהשערים הבטוחים והפשוטים ביותר. דרך עוצמתית לעקוף זאת היא להכין "מצבי קסם", מצבים מיוחדים של קיוביט יחיד שכאשר מזינים אותם דרך מעגלים חכמים הם משחררים את אותן פעולות קשות. המחברים מיישמים פרוטוקול הנקרא הזרקת מצב קסם על המעבד ibm_fez של IBM באמצעות קוד משטח מסובב ברדיוס 3 המורכב מ-25 קיוביטים פיזיים. הם מתחילים בהכנת מצב קיוביט יחיד נבחר במרכז טלאי הקוד ומצבים פשוטים על הקיוביטים שמסביב. לאחר מכן הם מריצים סבב בודד של מעגלי בדיקת שגיאות המותאמים לפריסת ה-heavy-hexagon, ולבסוף מודדים את כל הקיוביטים בבסיסים שנבחרו בקפידה כדי לשחזר איזה מצב לוגי נוצר בתוך הקוד.

לנפות את התוצאות הכי נקיות

מכיוון שהמכשירים האמיתיים רעשיים, הצוות משתמש באסטרטגיה הידועה כסלקציה אחרי-עובדה (post-selection): הם שומרים רק על אותם ניסיונות שבהם אותות בדיקת השגיאות נראות מושלמות ומפחיתים את השאר. למרות שמשמעות הדבר שהם מקבלים קצת יותר ממחצית מכל העצירות, הנבחרים הם באיכות גבוהה. מתוך האירועים הנבחרים הללו הם משחזרים את המצב הלוגי המקודד ומשווים אותו למטרה האידיאלית באמצעות מדדי דמיון קוונטיים סטנדרטיים הנקראים נאמנויות (fidelities). בטווח רחב של מצבי מטרה על פני כדור בלוך, נאמנות המינימום הנצפית היא כ-0.84, והממוצע קרוב ל-0.88. באופן מובהק, שני מצבי קסם חשובים במיוחד, שלרוב מסומנים H ו-T בספרות על חישובים קוונטיים, מיוצרים בנאמנויות סביב 0.88 ו-0.87 — מעל באופן נוח לספים הידועים שבהם פרוצדורות זיקוק נוספות יכולות לשפרם לאיכות אף גבוהה יותר.

מה משמעות הדבר למכשירי הקוונטום של מחר

במונחים נגישים, המחברים מראים שחומרת הקוונטום הנוכחית של IBM יכולה כבר לארח רשת קומפקטית לתיקון שגיאות שמכינה לא רק מידע מוגן אלא גם מייצרת באופן אמין את המרכיבים המיוחדים הנדרשים לאלגוריתמים קוונטיים מתקדמים. העיצוב המסובב שלהם חוסך בקיוביטים, עובד במסגרת מגבלות החיווט בעולם האמיתי ומשיג שיעורי שגיאה מתחת לספים תאורטיים מרכזיים. אמנם נשארו מכשולים רבים — במיוחד שיפור המדידות, הרחבה למרחקי קוד גדולים יותר והפחתת נתיבי שגיאה מרובי-קיוביט עדינים — עבודה זו מדגימה שמשאבים מתוקנים-שגיאות בעלי ערך גבוה כמו מצבי קסם אינם עוד רק רעיוניים. ניתן ליצורם, לאמתם ולהשתמש בהם כחומרי בניין על המכונות של היום, מה שמקרב את החישוב הקוונטי החסין-שגיאות צעד נוסף.

ציטוט: Kim, Y., Sevior, M. & Usman, M. Magic state injection on IBM quantum processors above the distillation threshold. Sci Rep 16, 11189 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40381-1

מילות מפתח: תיקון שגיאות קוונטי, קוד משטח, הזרקת מצב קסם, מעבד קוונטי של IBM, חישוב קוונטי חסין בעיות