Демонстрация универсального логического квантового вычисления без измерений

Почему важны более быстрые и надежные квантовые компьютеры

Чтобы превратить хрупкие сегодняшние квантовые прототипы в полезные машины, нужно удерживать под контролем тонкие квантовые биты (кубиты), пока они выполняют сложные алгоритмы. Главная преграда в том, что большинство ведущих схем коррекции ошибок постоянно «спрашивают» кубиты, в каком они состоянии — измерения, которые медленные, шумные и технически требовательные. В этой статье сообщается о первой экспериментальной демонстрации альтернативного подхода: выполнения полностью универсального, устойчивого к ошибкам квантового алгоритма на кодированных кубитах без каких‑либо измерений в середине схемы, с использованием процессора на ловушках ионов. Такой сдвиг может сделать будущие квантовые компьютеры быстрее, проще и легче масштабируемыми.

Защита квантовой информации без постоянных проверок

Квантовая коррекция ошибок распределяет информацию одного логического кубита по нескольким физическим кубитам так, чтобы ошибки можно было обнаружить и исправить. Традиционно эта защита опирается на частые измерения в ходе вычисления с последующими быстрыми условными коррекциями — подход особенно неудобный для аппаратуры вроде ловушек ионов и нейтральных атомов, где измерения намного медленнее логических вентилей и могут возмущать соседние кубиты. Авторы исследуют вместо этого «безизмерительные» протоколы. Вместо того чтобы считывать сигналы об ошибках в классическую электронику, они когерентно копируют эту информацию в вспомогательные кубиты и используют только квантовые вентили для обратной подачи в вычисление. Шумные вспомогательные кубиты затем сбрасываются или заменяются, тихо отводя энтропию без приостановки алгоритма для шага измерения.

Телепортация квантовых состояний между защищёнными блоками

Ключевой строительный блок — перенос защищённого квантового состояния из одного закодированного блока в другой — логическая телепортация — без каких‑либо измерений по ходу. Используя маленький четырёхкубитный код для обнаружения ошибок, команда реализует схему, в которой «исходный» и «целевой» блоки никогда не взаимодействуют напрямую. Вместо этого оба блока взаимодействуют только с вспомогательным регистром кубитов. Информация о совместных свойствах двух логических кубитов когерентно отображается на вспомогательных кубитах, которые затем выступают в роли управляющих для операций обратной связи, завершающих телепортацию. Тщательная организация схем такова, что любая одиночная физическая ошибка остаётся обнаружимой, поэтому протокол устойчив к ошибкам. Эксперименты на устройстве с 16 ионами показывают, что логические состояния можно телепортировать с достоверностью выше 90 процентов, что согласуется с подробными численными моделями.

Создание универсального квантового набора инструментов без промежуточного считывания

Одна лишь телепортация недостаточна; практический квантовый компьютер также нуждается в универсальном наборе логических вентилей, способных реализовать любой алгоритм. Авторы строят такой набор на восьмикубитном коде для обнаружения ошибок, который одновременно содержит три логических кубита, расположенные наподобие углов куба. Этот код естественным образом поддерживает мощный трёхкубитный вентиль, известный как CCZ, с помощью простых одиночных вращений кубитов, которые не распространяют ошибки. Чего не хватало, так это качественной логической версии вентили Адамара, которая смешивает логические 0 и 1 и необходима для большинства алгоритмов. Команда реализует этот вентиль с помощью техники, называемой вливанием состояния: они готовят специальное ресурсное состояние во втором небольшом коде, когерентно связывают его с кодом данных и заменяют обычный шаг «измерение‑и‑коррекция» чисто квантовым устройством обратной связи. Этот безизмерительный логический вентиль Адамара использует только когерентные вентили и сбросы, и при этом по конструкции остаётся устойчивым к ошибкам.

Запуск поиска Гровера на кодированных кубитах

Имея в арсенале безизмерительную телепортацию и универсальный набор вентилей, исследователи реализуют алгоритм поиска Гровера на трёх логических кубитах, закодированных в восьми физических ионах. Алгоритм Гровера — показатель того, как квантовая механика может ускорить поиск в неотсортированном списке, здесь из восьми возможных ответов. Команда переработала стандартную схему Гровера так, чтобы использовать только доступные логические вентили — Адамар, управляемое‑НЕ и CCZ — и выполнила её на процессоре в ловушке ионов. В эксперименте два правильных ответа возникают с суммарной вероятностью около 40 процентов в одном запуске. Это чуть ниже лучшей классической стратегии для такого небольшого размера задачи, но симуляции показывают, что умеренные улучшения в достоверности вентилей или когерентности кубитов — оба уже продемонстрированы в родственной аппаратуре — выведут квантовую вероятность успеха выше классического предела.

Что это значит для будущего квантовых машин

Для неспециалистов главный вывод в том, что можно выполнять полностью программируемые, защищённые от ошибок квантовые вычисления без постоянной остановки для измерений и, следовательно, без возмущения системы. Показав безизмерительную телепортацию между кодированными блоками, построив универсальный набор логических вентилей на компактном восьмикубитном коде и использовав этот набор для выполнения полного экземпляра алгоритма Гровера на логических кубитах, работа прокладывает практический путь к более быстрым и масштабируемым квантовым процессорам. По мере улучшения аппаратуры эти идеи могут помочь превратить лабораторные прототипы в машины, которые надёжно превзойдут классические компьютеры в значимых задачах, одновременно уменьшая зависимость от медленных и склонных к ошибкам измерений в середине вычисления.

Цитирование: Butt, F., Pogorelov, I., Freund, R. et al. Demonstration of measurement-free universal logical quantum computation. Nat Commun 17, 995 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68533-x

Ключевые слова: квантовая коррекция ошибок, устойчивые к ошибкам квантовые вычисления, кубиты в ловушке ионов, протоколы без измерений, алгоритм поиска Гровера