Сравнительная оценка сконструированных обменных взаимодействий на аппаратуре NISQ

Почему это исследование важно для будущих вычислений

Квантовые компьютеры обещают решать задачи в химии, финансах и безопасности, с которыми не справляются современные машины, но только если их базовые элементы работают надёжно. В этой статье исследуется, насколько хорошо особый тип квантовой операции, называемый обменным взаимодействием, может выполняться на существующем шумном квантовом оборудовании, давая реалистичную картину текущего состояния технологии и того, как её разумно использовать.

Обмен информацией между крошечными квантовыми битами

Во многих квантовых алгоритмах двум квантовым битам нужно контролируемо делиться и обмениваться информацией. Исследование фокусируется на двух связанных операциях, известных как iSWAP и квадратный корень iSWAP, которые перемещают возбуждения между парой кубитов, одновременно создавая запутанность — уникальную квантовую связь, лежащую в основе многих квантовых ускорений. Эти операции особенно полезны для моделирования магнитных материалов и для эффективной маршрутизации информации по кристаллу, где не все кубиты напрямую соединены.

Адаптация теории к реальным устройствам

На используемом здесь сверхпроводящем процессоре, построенном на архитектуре IBM Falcon, iSWAP и его вариант не являются нативными операциями. Их нужно конструировать из небольшого набора более простых действий, в основном CNOT, RZ и SX. Автор разработал аппаратно‑ориентированные версии двух обменных операций, использующие по две CNOT‑воротки каждая, чередующиеся с одиночными вращениями кубитов, чтобы сохранить общую длину схемы короткой. Короткие схемы важны, потому что современные устройства быстро теряют квантовую информацию и накапливают ошибки по мере увеличения числа операций.

Проверка работы гейтов

Чтобы оценить, насколько хорошо эти сконструированные гейты работают, в исследовании применяются два комплементарных теста. Прямые измерения состояний начинают с простого входного состояния и подсчитывают, как часто устройство возвращает ожидаемый результат по сравнению с нежелательными исходами. Квантовая томография процесса исследует глубже: она восстанавливает полную картину того, как устройство преобразует любое возможное входное состояние, давая «отпечаток» операции и единую оценку точности, называемую процессной фиделити. В идеальном симуляторе оба обменных гейта демонстрируют очень высокие фиделити — примерно 97–98 процентов, ограниченные лишь статистическим шумом из‑за конечного числа прогонов измерений.

Что происходит на реальном шумном оборудовании

Когда те же тесты выполняют на физическом квантовом чипе, производительность обменных гейтов заметно падает. Реализация iSWAP достигает процессной фиделити около 89.7 процента, а квадратный корень — примерно 87.7 процента, то есть теряется порядка 9–10 процентных пунктов по сравнению с симулятором. Прямые измерения состояний показывают, что, начиная с простого двухкубитного состояния «оба выключены», iSWAP несколько чаще сохраняет это состояние, чем его версия, но также даёт больше ошибок вида «оба включены». Сопоставляя эти наблюдения со стандартной CNOT‑вороткой и с детальными метриками устройства — такими как релаксация энергии, дефазирование и ошибки считывания — исследование связывает различия в производительности с конкретными аппаратными ограничениями и вариациями между кубитами.

Что это говорит о дальнейшем пути

Для неспециалистов главный вывод в том, что полезные квантовые гейты можно строить из ограниченного набора аппаратных средств, но их надёжность по‑прежнему существенно определяется шумом современных устройств. Сконструированные здесь обменные взаимодействия демонстрируют конкурентоспособные результаты по сравнению с нативными операциями, при этом показывая, где возникают ошибки и как разные реализации меняют типы ошибок. Эти бенчмарки дают разработчикам алгоритмов практические данные для выбора между вариантами гейтов, вдохновляют стратегии по снижению доминирующих каналов ошибок и направляют будущие улучшения в дизайне чипов по мере движения области к более надёжным квантовым компьютерам с устойчивостью к ошибкам.

Цитирование: AbuGhanem, M. Benchmarking engineered exchange interactions on NISQ hardware. Sci Rep 16, 16132 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-53082-6

Ключевые слова: квантовые гейты, суперпроводящие кубиты, запутанность, NISQ‑аппаратура, квантовый бенчмаркинг