Инъекция магических состояний на квантовых процессорах IBM выше порога дистилляции

Почему это важно для будущих компьютеров

Современные прототипы квантовых компьютеров принципиально мощны, но на практике крайне хрупки: малейшие дефекты быстро портят расчеты. В этой работе исследуется конкретный шаг по приборке этой хрупкости на аппаратуре IBM. Авторы показывают, как надежно готовить специальные «магические» квантовые состояния — ключевые элементы для выполнения полного набора квантовых алгоритмов — с меньшими аппаратными ресурсами, чем раньше, и с качеством, достаточным для практических задач. Их результаты указывают на то, что подлинно устойчивые к ошибкам квантовые вычисления постепенно переходят из теории в инженерную реальность.

Создание более безопасной среды для квантовой информации

Чтобы защитить квантовую информацию, исследователи распределяют её по множеству физических кубитов в структурированном рисунке, известном как поверхностный код. Этот код постоянно проверяет наличие ошибок, не заглядывая напрямую в хрупкое состояние информации. Устройства IBM, использованные в работе, располагают кубиты в схеме «тяжёлого шестиугольника», где каждый кубит соединён максимум с тремя соседями, в отличие от четырёхсторонней решётки, часто представляемой в учебниках. Такая развёртка аппаратуры усложняет то, как стандартные поверхностные коды могут быть реализованы и запущены. Авторы выбирают более экономичную разновидность — повернутый поверхностный код — и адаптируют его к шестиугольной связности IBM, что примерно вдвое сокращает число требуемых кубитов по сравнению с прежними подходами для больших размеров кодов.

Приспособление кода к аппаратуре

В учебном варианте поверхностного кода некоторые многокубитные проверки, называемые стабилизаторами, действуют одновременно на четырёх кубитах. На чипах IBM с тяжёлыми шестиугольниками это прямо сделать невозможно из‑за ограниченных соединений. Авторы решают эту проблему путём «свёртывания» каждой четырёхкубитной проверки в последовательность более простых двухкубитных проверок, используя дополнительные мостовые кубиты как промежуточные звенья. Затем они «разворачивают» преобразование, чтобы восстановить исходную логическую структуру. На внешних краях кода, где соседей меньше, они тщательно проектируют меньшие двухкубитные и однокубитные проверки, которые по‑прежнему вписываются в общий ритм операций. Моделирование при реалистичной модели шума показывает, что такая повернутая схема не только сохраняет производительность, но и слегка улучшает допустимые физические уровни ошибок по сравнению с предыдущими кодами для тяжёлого шестиугольника, с порогами порядка трёх-четырёх ошибок на тысячу операций.

Вливание капли квантовой магии

Защита информации — лишь половина дела. Чтобы запускать действительно универсальные квантовые алгоритмы, компьютер должен также выполнять специальные операции, которые нельзя получить только из самых безопасных и простых вентилей. Мощный обходной путь — подготовка «магических состояний», специальных однокубитных состояний, которые при пропускании через хитроумные схемы дают доступ к этим трудным операциям. Авторы реализуют протокол, называемый инъекцией магического состояния, на процессоре IBM ibm_fez, используя повернутый поверхностный код расстояния 3, собранный из 25 физических кубитов. Они начинают с подготовки выбранного однокубитного состояния в центре участка кода и простых состояний на окружающих кубитах. Затем выполняется один раунд проверочной схемы, адаптированной к шестиугольной развёртке, и в конце все кубиты измеряются в тщательно подобранных базисах, чтобы восстановить, какое логическое состояние получилось внутри кода.

Отсеивание самых чистых результатов

Реальные устройства шумны, поэтому команда использует стратегию, известную как постселекция: они оставляют только те экспериментальные запуски, сигналы проверки ошибок в которых выглядят идеально чистыми, и отбрасывают остальные. Хотя это означает, что принимается чуть более трети всех запусков, у выживших результатов высокое качество. По выбранным событиям они реконструируют кодированное логическое состояние и сравнивают его с идеальной целью с помощью стандартных мер квантового сходства, называемых фиделити. По широкому набору целевых состояний на сфере Блоха минимальная наблюдаемая фиделити составляет примерно 0,84, а средняя близка к 0,88. Важно, что два особо значимых магических состояния, часто обозначаемые H и T в литературе по квантовым вычислениям, получаются с фиделити примерно 0,88 и 0,87 — с запасом выше известных порогов, при которых последующие процедуры «дистилляции» могут повысить их качество ещё сильнее.

Что это означает для квантовых устройств завтрашнего дня

Проще говоря, авторы показывают, что текущая квантовая аппаратура IBM уже способна разместить компактную решётку с коррекцией ошибок, которая не только защищает информацию, но и надёжно производит специальные ресурсы, необходимые для продвинутых квантовых алгоритмов. Их повернутая конструкция экономит кубиты, укладывается в реальные ограничения по разводке и достигает уровней ошибок ниже ключевых теоретических границ. Хотя остаётся много задач — особенно улучшение измерений, масштабирование до больших расстояний кода и сокращение тонких многокубитных каналов ошибок — эта работа демонстрирует, что ценные ресурсы с коррекцией ошибок, такие как магические состояния, уже не являются чисто теоретическими. Их можно создавать, проверять и использовать как строительные блоки на современных машинах, приближая реализацию по-настоящему устойчивых к ошибкам квантовых вычислений.

Цитирование: 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

Ключевые слова: коррекция квантовых ошибок, поверхностный код, инъекция магических состояний, квантовый процессор IBM, безошибочные квантовые вычисления