Demonstration of high-fidelity entangled logical qubits using transmons

Att hålla sköra kvantkopplingar vid liv

Kvantdatorer lovar att lösa problem som överbelastar dagens superdatorer, men deras byggstenar – qubits – är notoriskt känsliga. Även små störningar från omgivningen kan röra till de ömtåliga kopplingarna, eller sammanflätningen, som ger kvantapparater deras kraft. Denna artikel visar ett sätt att hålla par av kodade, eller ”logiska”, qubits sammanflätade mycket längre än vad naken hårdvara skulle tillåta, genom en smart kombination av två skyddsstrategier testade på IBMs supraledande transmon‑processorer.

Varför vanligt skydd inte räcker

Standard kvantfelkorrigering lagrar information över flera fysiska qubits så att små misstag kan upptäckas och i princip rättas. Men varje felkorrigeringskod har blinda fläckar: vissa felmönster ser ut som legitima operationer på den kodade datan och slinker igenom som omärkliga ”logiska fel”. När kvantprocessorer skalas upp kan oönskade interaktioner mellan närliggande qubits – särskilt en typ av två‑qubitstörning kallad crosstalk – skapa just dessa farliga mönster. Vanlig bot är att göra koderna större och mer komplexa, vilket snabbt blir dyrt i både hårdvara och kontrollkostnader.

Kombinera två sköldar till en

Författarna föreslår en hybridstrategi som håller koden kompakt samtidigt som dess blinda fläckar kraftigt minskas. De utgår från en kompakt fyr‑qubit felupptäckande kod, ofta skriven som [[4,2,2]], som kodar två logiska qubits i fyra fysiska. ovanpå detta tillämpar de dynamisk avkoppling, en teknik där snabba, omsorgsfullt utformade kontrollpulser appliceras på qubits för att i genomsnitt ta bort brusets effekter över tid. Den avgörande vändningen är att dessa pulser inte är godtyckliga: de väljs från kodens egna symmetrioperationer, så kallade ”normalizer”-element. Genom att pulsera med dessa kodmedvetna operationer – en metod författarna kallar normalizer dynamical decoupling – kan de i genomsnitt släta ut exakt de störningar som annars skulle låtsas vara logiska fel, utan att lämna det kodade delrummet.

Att testa idén på riktig hårdvara

För att se om schemat verkligen skyddar information fokuserade teamet på en av kvantdatorernas mest ömtåliga resurser: sammanflätade Bell‑par. De använde fyr‑qubitkoden för att koda två logiska qubits och förbereda dem i sammanflätade Bell‑tillstånd, och lät sedan systemet vila på IBMs 127‑qubitars transmon‑chip. Genom att avkoda medvetet till olika Bell‑tillstånd och läsa ut alla fyra fysiska qubits kunde de avgöra om specifika logiska fel hade inträffat och separat följa vanliga fysiska fel. De fyllde också viloperioder i kodnings‑ och avkodningskretsarna med välkända fysiska dynamiska avkopplingssekvenser, så att ytterligare förbättringar kunde tillskrivas de nya, logiska pulsserierna. Denna noggranna utformning gjorde det möjligt att skilja mellan skydd av enskilda qubits och verklig dämpning av logiska fel i koden.

Hur mycket extra skydd får vi?

På enheter där närliggande transmons ständigt drar i varandra förstörde crosstalk snabbt oskyddade logiska Bell‑par: deras fidelitet, ett mått på hur nära det slutliga tillståndet ligger det önskade sammanflätade tillståndet, föll mot cirka 20% inom ungefär 10 mikrosekunder och visade svängningar drivna av dessa oönskade interaktioner. Endast fysisk dynamisk avkoppling förbättrade läget, men lämnade ändå betydande logiska fel. När forskarna aktiverade sina kodmedvetna pulssekvenser, inställda för att ta bort de dominerande felkanalerna och gjorda robusta mot kontrollimperfektioner, klarade sig de logiska Bell‑paren dramatiskt bättre. Över lagringstider upp till 55 mikrosekunder höll den bästa versionen av schemat genomsnittliga kodade Bell‑fideliteter i intervallet 90–95% när de dessutom använde kodens inbyggda felupptäckt för att kassera körningar med tydliga fysiska fel, och låg fortfarande över 80% även utan att fokusera på den bästa qubituppsättningen. I kontrast sjönk det bästa okodade Bell‑paret på samma hårdvara, även med stark fysisk dynamisk avkoppling, till omkring 70% fidelitet över samma period.

Bortom brytpunkten

Huvudbudskapet är att ett sammanflätat par av logiska qubits, skyddat av denna hybrid av felupptäckt och normalizer dynamical decoupling, överlever bättre än något jämförbart oskyddat eller endast fysiskt skyddat par – vad författarna kallar bortom‑brytpunkts‑prestanda. Metoden inte bara håller tillbaka logiska fel utan sänker också takten av upptäckbara fysiska fel, vilket minskar kostnaden för att kasta bort dåliga körningar. Eftersom pulsmönstren beror endast på en liten uppsättning kodsymmetrier snarare än på kodstorlek, kan tillvägagångssättet i princip skalas till större arkitekturer utan att komplexiteten exploderar. Detta arbete erbjuder därför ett praktiskt recept för att hålla sköra kvantkopplingar intakta tillräckligt länge för att vara användbara i riktiga algoritmer och större feltoleranta maskiner.

Citering: 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

Nyckelord: quantum error correction, dynamical decoupling, logical qubits, superconducting transmons, entanglement