Демонстрация высокоточной запутанности логических кубитов на трансмонах

Сохранение хрупких квантовых связей

Квантовые компьютеры обещают решать задачи, с которыми современные суперкомпьютеры не справляются, но их строительные блоки — кубиты — крайне уязвимы. Даже незначительные возмущения окружения могут исказить тонкие связи, или запутанность, которые дают квантовым устройствам их мощь. В этой работе показан способ удерживать пары закодированных, или «логических», кубитов в состоянии запутанности значительно дольше, чем позволит голое аппаратное обеспечение, используя хитрую комбинацию двух стратегий защиты, опробованных на сверхпроводящих трансмон‑процессорах IBM.

Почему обычной защиты недостаточно

Стандартная квантовая коррекция ошибок распределяет информацию по нескольким физическим кубитам так, чтобы небольшие сбои можно было обнаружить и, в принципе, исправить. Но у любого кода коррекции ошибок есть «слепые пятна»: некоторые шаблоны ошибок выглядят как допустимые операции над закодированными данными и проходят как неотслеживаемые «логические ошибки». По мере масштабирования квантовых процессоров нежелательные взаимодействия между соседними кубитами — особенно тип двухкубитного возмущения, называемый перекрестной связью (crosstalk) — могут порождать именно такие опасные шаблоны. Обычный рецепт — увеличивать размер и сложность кодов, что быстро становится дорогостоящим с точки зрения аппаратуры и управления.

Сочетание двух щитов в один

Авторы предлагают гибридную стратегию, которая сохраняет код компактным, одновременно значительно уменьшая его «слепые пятна». Они исходят из компактного обнаруживающего ошибок кода на четырёх кубитах, обычно обозначаемого как [[4,2,2]], который кодирует два логических кубита в четырёх физических. Поверх этого они применяют динамическое развязывание — метод, при котором к кубитам подаются быстрые, тщательно спроектированные управляющие импульсы, чтобы усреднить влияние шума со временем. Ключевая особенность в том, что эти импульсы не произвольны: их выбирают из симметрий самого кода, называемых элементами нормализатора. Пульсируя с использованием этих операций, согласованных с кодом — подход, который авторы называют нормализаторным динамическим развязыванием — они могут усреднять именно те возмущения, которые в противном случае маскировались бы под логические ошибки, не выводя при этом систему из кодового подпространства.

Испытание идеи на реальном оборудовании

Чтобы проверить, действительно ли схема защищает информацию, команда сосредоточилась на одном из самых деликатных ресурсов квантовых вычислений: запутанных состояниях Белла. Они использовали четырёхкубитный код, чтобы закодировать два логических кубита и подготовить их в запутанных состояниях Белла, затем позволяли системе простаивать на 127‑кубитных транмон‑чипах IBM. Целенаправленно декодируя в разные состояния Белла и считывая все четыре физических кубита, исследователи могли определить, произошли ли конкретные логические ошибки, и отдельно отслеживать обычные физические сбои. Они также заполняли периоды простоя в схемах кодирования и декодирования известными последовательностями физического динамического развязывания, чтобы все дополнительные улучшения можно было приписать новым импульсам на логическом уровне. Такая тщательная постановка эксперимента позволила им различать защиту отдельных кубитов и действительное подавление логических ошибок в коде.

Какой прирост защиты мы получаем?

На устройствах, где соседние трансмоны постоянно влияют друг на друга, перекрестная связь быстро разрушала незашитые логические пары Белла: их добротность (fidelity), показатель близости конечного состояния к целевому запутанному состоянию, падала до примерно 20% за ~10 микросекунд и демонстрировала колебания, вызванные этими нежелательными взаимодействиями. Только физическое динамическое развязывание улучшало ситуацию, но по‑прежнему оставляло существенные логические ошибки. Когда исследователи включили свои последовательности, согласованные с кодом, настроенные на компенсацию доминирующих каналов ошибок и устойчивые к неточностям управления, логические пары Белла показали драматически лучшие результаты. При временах хранения до 55 микросекунд лучшая версия схемы держала средние добротности закодированных состояний Белла в диапазоне 90–95% после отбраковки запусков с явными физическими сбоями с помощью встроенного обнаружения ошибок кода, и всё ещё выше 80% даже без отбора лучших наборов кубитов. Для сравнения, лучшая незакодированная пара Белла на том же оборудовании, даже при мощном физическом динамическом развязывании, спадала примерно до 70% за тот же промежуток времени.

Выход за пределы точки безубыточности

Главный вывод в том, что пара запутанных логических кубитов, защищённая гибридом обнаружения ошибок и нормализаторного динамического развязывания, сохраняется лучше, чем любая сопоставимая незашитая или лишь физически защищённая пара — то, что авторы называют производительностью «выше безубыточности» (beyond‑breakeven). Метод не только сдерживает логические ошибки, но и снижает частоту обнаруживаемых физических сбоев, что уменьшает стоимость отбрасывания неудачных запусков. Поскольку схемы импульсов зависят лишь от малого набора симметрий кода, а не от размера кода, подход в принципе масштабируется на более крупные архитектуры без взрывного роста сложности. Эта работа, таким образом, предлагает практический рецепт для поддержания хрупких квантовых связей достаточно долго, чтобы они были полезны в реальных алгоритмах и больших устойчивых к ошибкам машинах.

Цитирование: Vezvaee, A., Tripathi, V., Morford-Oberst, M. et al. Demonstration of high-fidelity entangled logical qubits using transmons. Nat Commun 17, 3281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70011-3

Ключевые слова: коррекция квантовых ошибок, динамическое развязывание, логические кубиты, сверхпроводящие трансмоны, запутанность