```html المؤلفون: المودينا كاريرا فاسكيز كارولين تورناو دييغو ريستي ستيفان ويرنر مايكا تاكيتا دانيال جيه ايجر ملخص تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بمعالجة المعلومات وفقًا لقوانين ميكانيكا الكم. الأجهزة الكمومية الحالية بها ضوضاء، ويمكنها فقط تخزين المعلومات لفترة قصيرة، وهي محدودة بعدد قليل من البتات الكمومية، أي الكيوبتات، مرتبة عادةً في اتصال مستوٍ . ومع ذلك، تتطلب العديد من تطبيقات الحوسبة الكمومية اتصالًا أكثر من الشبكة المستوية التي توفرها الأجهزة على عدد أكبر من الكيوبتات مما هو متاح على وحدة معالجة كمومية واحدة (QPU). يأمل المجتمع في معالجة هذه القيود عن طريق توصيل وحدات المعالجة الكمومية باستخدام الاتصال الكلاسيكي، وهو ما لم يتم إثباته تجريبياً بعد. هنا، نحقق تجريبياً دوائر ديناميكية معدلة للأخطاء وقطع الدوائر لإنشاء حالات كمومية تتطلب اتصالًا دوريًا باستخدام ما يصل إلى 142 كيوبت تمتد عبر وحدتي معالجة كمومية (QPUs) تحتوي كل منهما على 127 كيوبت متصلة في الوقت الفعلي برابط كلاسيكي. في دائرة ديناميكية، يمكن التحكم في البوابات الكمومية كلاسيكيًا من خلال نتائج القياسات في منتصف الدائرة ضمن وقت التشغيل، أي خلال جزء صغير من وقت تماسك الكيوبتات. يتيح لنا رابطنا الكلاسيكي في الوقت الفعلي تطبيق بوابة كمومية على وحدة معالجة كمومية واحدة بشرط نتيجة قياس على وحدة معالجة كمومية أخرى. علاوة على ذلك، يعزز التحكم في التدفق المعدل للأخطاء اتصال الكيوبتات ومجموعة التعليمات الخاصة بالأجهزة، مما يزيد من تنوع أجهزة الكمبيوتر الكمومية الخاصة بنا. يوضح عملنا أنه يمكننا استخدام عدة معالجات كمومية كواحد مع دوائر ديناميكية معدلة للأخطاء مدعومة برابط كلاسيكي في الوقت الفعلي. 1 الرئيسية تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بمعالجة المعلومات المشفرة في البتات الكمومية باستخدام عمليات موحدة. ومع ذلك، فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية بها ضوضاء، وتقوم معظم البنى واسعة النطاق بترتيب الكيوبتات المادية في شبكة مستوية. ومع ذلك، يمكن للمعالجات الحالية مع تخفيف الأخطاء محاكاة نماذج آيزنج الأصلية للأجهزة بـ 127 كيوبت وقياس الملاحظات على نطاق يبدأ فيه النهج الشامل بأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية بالصعوبة . تعتمد فائدة أجهزة الكمبيوتر الكمومية على التوسع المستقبلي والتغلب على اتصال الكيوبت المحدود الخاص بها. النهج المعياري مهم لتوسيع نطاق المعالجات الكمومية الحالية التي بها ضوضاء ولتحقيق العدد الكبير من الكيوبتات المادية اللازمة لتحمل الأخطاء . يمكن لبنى الأيونات المحاصرة والذرات المتعادلة تحقيق المعيارية عن طريق نقل الكيوبتات ماديًا , . في المدى القريب، يتم تحقيق المعيارية في الكيوبتات فائقة التوصيل من خلال الوصلات البينية قصيرة المدى التي تربط الرقائق المتجاورة , . 1 2 3 4 5 6 7 8 في المدى المتوسط، قد يتم تنفيذ بوابات طويلة المدى تعمل في نطاق الميكروويف عبر كابلات تقليدية طويلة , , . سيتيح ذلك اتصال كيوبت غير مستوٍ مناسب للتصحيح الفعال للأخطاء . بديل طويل المدى هو تشابك وحدات المعالجة الكمومية البعيدة برابط بصري يستفيد من التحويل من الميكروويف إلى البصري ، والذي لم يتم إثباته بعد، حسب علمنا. علاوة على ذلك، توسع الدوائر الديناميكية مجموعة عمليات الكمبيوتر الكمومي عن طريق إجراء قياسات في منتصف الدائرة (MCMs) والتحكم كلاسيكيًا في البوابة ضمن وقت تماسك الكيوبتات. إنها تعزز جودة الخوارزميات واتصال الكيوبت . كما سنوضح، تتيح الدوائر الديناميكية أيضًا المعيارية عن طريق توصيل وحدات المعالجة الكمومية في الوقت الفعلي عبر رابط كلاسيكي. 9 10 11 3 12 13 14 نحن نأخذ نهجًا مكملاً يعتمد على البوابات الافتراضية لتنفيذ تفاعلات طويلة المدى في بنية معيارية. نقوم بتوصيل الكيوبتات في مواقع عشوائية وإنشاء إحصائيات التشابك من خلال تحليل الاحتمالات شبه (QPD) , , . نقارن مخطط العمليات المحلية (LO) فقط بمخطط آخر معزز بالاتصال الكلاسيكي (LOCC) . يتطلب مخطط LO، الذي تم إثباته في إعداد كيوبت مزدوج ، تنفيذ دوائر كمومية متعددة بعمليات محلية فقط. على النقيض من ذلك، لتنفيذ LOCC، نستهلك أزواج بيل افتراضية في دائرة نقل لإنشاء بوابات كيوبت مزدوج , . على الأجهزة الكمومية ذات الاتصال المتناثر والمستوي، يتطلب إنشاء زوج بيل بين كيوبتات عشوائية بوابة CNOT طويلة المدى. لتجنب هذه البوابات، نستخدم QPD على العمليات المحلية مما يؤدي إلى أزواج مقطوعة يستهلكها النقل. لا تحتاج LO إلى الرابط الكلاسيكي وبالتالي فهي أبسط في التنفيذ من LOCC. ومع ذلك، نظرًا لأن LOCC تتطلب دائرة قالب واحدة فقط معلمة، فهي أكثر كفاءة في التحويل من LO وتكلفة QPD الخاص بها أقل من تكلفة مخطط LO. 15 16 17 16 17 18 19 20 يقدم عملنا أربعة مساهمات رئيسية. أولاً، نقدم الدوائر الكمومية و QPD لإنشاء أزواج بيل مقطوعة متعددة لتنفيذ البوابات الافتراضية في المرجع. . ثانيًا، نقوم بقمع وتخفيف الأخطاء الناتجة عن زمن الاستجابة لأجهزة التحكم الكلاسيكية في الدوائر الديناميكية بمزيج من إلغاء الاضمحلال الديناميكي واستقراء الضوضاء الصفرية . ثالثًا، نستفيد من هذه الطرق لتصميم شروط حدود دورية على حالة رسم بياني تضم 103 عقدة. رابعًا، نعرض اتصالًا كلاسيكيًا في الوقت الفعلي بين وحدتي معالجة كمومية منفصلتين، مما يوضح أنه يمكن تشغيل نظام من وحدات المعالجة الكمومية الموزعة كواحد عبر رابط كلاسيكي . بالاقتران مع الدوائر الديناميكية، يتيح لنا هذا تشغيل الشريحتين كجهاز كمبيوتر كمومي واحد، وهو ما نوضحه بتصميم حالة رسم بياني دورية تمتد عبر كلا الجهازين على 142 كيوبت. نناقش مسارًا مستقبليًا لإنشاء بوابات طويلة المدى ونقدم استنتاجنا. 17 21 22 23 قطع الدوائر نقوم بتشغيل دوائر كمومية كبيرة قد لا تكون قابلة للتنفيذ مباشرة على أجهزتنا بسبب قيود في عدد الكيوبتات أو الاتصال عن طريق قطع البوابات. تفكك قطع الدوائر الدائرة المعقدة إلى دوائر فرعية يمكن تنفيذها بشكل فردي , , , , , . ومع ذلك، يجب علينا تشغيل عدد متزايد من الدوائر، والتي نسميها حمل العينات الزائد. ثم يتم إعادة تجميع النتائج من هذه الدوائر الفرعية كلاسيكيًا للحصول على نتيجة الدائرة الأصلية ( ). 15 16 17 24 25 26 الطرق نظرًا لأن إحدى المساهمات الرئيسية لعملنا هي تنفيذ البوابات الافتراضية مع LOCC، فإننا نوضح كيفية إنشاء أزواج بيل المقطوعة المطلوبة بعمليات محلية. هنا، يتم إنشاء أزواج بيل مقطوعة متعددة بواسطة دوائر كمومية معلمة، والتي نسميها مصنع أزواج بيل مقطوعة (الشكل ). يتطلب قطع أزواج متعددة في نفس الوقت حمل عينات زائد أقل . نظرًا لأن مصنع أزواج بيل المقطوعة يشكل دائرتين كموميتين منفصلتين، فإننا نضع كل دائرة فرعية بالقرب من الكيوبتات التي تحتوي على بوابات طويلة المدى. ثم يتم استهلاك المورد الناتج في دائرة نقل. على سبيل المثال، في الشكل ، يتم استهلاك أزواج بيل المقطوعة لإنشاء بوابات CNOT على أزواج الكيوبتات (0، 1) و (2، 3) (انظر القسم "مصانع أزواج بيل مقطوعة" ). 1b,c 17 1b Cut Bell pair factories ، تصوير لبنية IBM Quantum System Two. هنا، يتم توصيل وحدتي معالجة كمومية Eagle مكونتين من 127 كيوبت برابط كلاسيكي في الوقت الفعلي. يتم التحكم في كل وحدة معالجة كمومية بواسطة إلكترونياتها في رفها. نقوم بمزامنة كلا الرفين بشكل وثيق لتشغيل وحدتي المعالجة الكمومية كوحدة واحدة. ، دائرة كمومية قالبية لتنفيذ بوابات CNOT افتراضية على أزواج الكيوبتات ( 0، 1) و ( 2، 3) مع LOCC عن طريق استهلاك أزواج بيل مقطوعة في دائرة نقل. الخطوط المزدوجة الأرجوانية تتوافق مع الرابط الكلاسيكي في الوقت الفعلي. ، مصانع أزواج بيل مقطوعة 2( ) لزوجين من أزواج بيل المقطوعة في وقت واحد. يحتوي QPD على ما مجموعه 27 مجموعة معلمات مختلفة . هنا، . أ ب q q q q ج C θ i θ i شروط الحدود الدورية نقوم ببناء حالة رسم بياني | ⟩ بشروط حدود دورية على ibm_kyiv، وهو معالج Eagle ، متجاوزين القيود التي يفرضها الاتصال المادي الخاص به (انظر القسم "حالات الرسم البياني" ). هنا، يحتوي على | | = 103 عقدة ويتطلب أربع حواف طويلة المدى lr = {(1، 95)، (2، 98)، (6، 102)، (7، 97)} بين الكيوبتات العلوية والسفلية لمعالج Eagle (الشكل ). نقيس المثبتات العقدية عند كل عقدة ∈ والمثبتات الحافية المتكونة من حاصل ضرب عبر كل حافة ( ، ) ∈ . من هذه المثبتات، نبني شاهد تشابك ، والذي يكون سالبًا إذا كان هناك تشابك ثنائي عبر الحافة ( ، ) ∈ (مرجع ) (انظر القسم "شاهد التشابك" ). نركز على التشابك الثنائي لأنه المورد الذي نرغب في إعادة إنشائه باستخدام البوابات الافتراضية. قياس الشهود على التشابك بين أكثر من طرفين يقيس فقط جودة البوابات غير الافتراضية والقياسات، مما يجعل تأثير البوابات الافتراضية أقل وضوحًا. G 1 Graph states G V E 2a Si i V SiSj i j E i j E 27 Entanglement witness ، يتم طي الرسم البياني السداسي الثقيل على نفسه ليشكل شكلاً أنبوبيًا بواسطة الحواف (1، 95)، (2، 98)، (6، 102)، و (7، 97) المميزة باللون الأزرق. نقطع هذه الحواف. ، المثبتات العقدية (أعلى) والشهود ، (أسفل)، مع انحراف معياري واحد للعقد والحواف القريبة من الحواف طويلة المدى. تقوم الخطوط المتقطعة العمودية بتجميع المثبتات والشهود حسب بعدها عن الحواف المقطوعة. ، دالة التوزيع التراكمي لأخطاء المثبتات. تشير النجوم إلى المثبتات العقدية التي لها حافة منفذة بواسطة بوابة طويلة المدى. في اختبار الحافة المقطوعة (خط أحمر منقط)، لا يتم تنفيذ البوابات طويلة المدى وبالتالي فإن المثبتات المشار إليها بنجمة لها خطأ موحد. المنطقة الرمادية هي كتلة الاحتمال المقابلة للمثبتات العقدية المتأثرة بالقطع. – ، في التخطيطات ثنائية الأبعاد، تتضاعف العقد الخضراء العقد 95، 98، 102، و 97 لإظهار الحواف المقطوعة. العقد الزرقاء في هي موارد كيوبت لإنشاء أزواج بيل مقطوعة. لون العقدة هو الخطأ المطلق | − 1| للمثبت المقاس، كما هو موضح بواسطة شريط الألوان. تكون الحافة سوداء إذا تم اكتشاف إحصائيات التشابك بمستوى ثقة 99%، وبنفسجية إذا لم يتم ذلك. في ، يتم تنفيذ البوابات طويلة المدى باستخدام بوابات SWAP. في ، يتم تنفيذ نفس البوابات باستخدام LOCC. في ، لا يتم تنفيذها على الإطلاق. أ ب Sj ج Sj د و هـ i Si د هـ و نقوم بإعداد | ⟩ باستخدام ثلاث طرق مختلفة. يتم دائمًا تنفيذ الحواف الأصلية للجهاز باستخدام بوابات CNOT، ولكن يتم تنفيذ شروط الحدود الدورية باستخدام (1) بوابات SWAP، (2) LOCC، و (3) LO لتوصيل الكيوبتات عبر الشبكة بأكملها. الفرق الرئيسي بين LOCC و LO هو عملية تغذية راجعة تتكون من بوابات كيوبت واحدة مشروطة بـ 2 نتائج قياس، حيث هو عدد القطع. كل حالة من حالات 22 تؤدي إلى مجموعة فريدة من بوابات و/أو على الكيوبتات المناسبة. يتم تنفيذ الحصول على نتائج القياس، وتحديد الحالة المقابلة، والتصرف بناءً عليها في الوقت الفعلي بواسطة جهاز التحكم، بتكلفة زمن استجابة إضافي ثابت. نقوم بتخفيف وقمع الأخطاء الناتجة عن زمن الاستجابة هذا باستخدام استقراء الضوضاء الصفرية وإلغاء الاضمحلال الديناميكي المتعرج , (انظر القسم "تعليمات تبديل الدوائر الكمومية المعدلة للأخطاء" ). G n n n X Z 22 21 28 Error-mitigated quantum circuit switch instructions نقوم باختبار تنفيذ SWAP و LOCC و LO للحالة | ⟩ باستخدام حالة رسم بياني أصلية للجهاز على ′ = ( ، ′) تم الحصول عليها عن طريق إزالة البوابات طويلة المدى، أي ′ = lr. الدائرة التي تعد | ′⟩ تتطلب بالتالي 112 بوابة CNOT فقط مرتبة في ثلاث طبقات تتبع طوبولوجيا السداسي الثقيل لمعالج Eagle. ستقوم هذه الدائرة بالإبلاغ عن أخطاء كبيرة عند قياس المثبتات العقدية والحافية لـ | ⟩ للعقد الموجودة على قطع لأنها مصممة لتنفيذ | ′⟩. نشير إلى هذا الاختبار الأصلي للجهاز باسم اختبار الحافة المقطوعة. تتطلب دائرة SWAP-based 262 بوابة CNOT إضافية لإنشاء الحواف طويلة المدى lr، مما يقلل بشكل كبير من قيمة المثبتات المقاسة (الشكل ). على النقيض من ذلك، فإن تنفيذ LOCC و LO للحواف في lr لا يتطلب بوابات SWAP. أخطاء المثبتات العقدية والحافية الخاصة بها للعقد غير المتورطة في قطع تتطابق عن كثب مع اختبار الحافة المقطوعة (الشكل ). على العكس من ذلك، فإن المثبتات التي تتضمن بوابة افتراضية لديها خطأ أقل من اختبار الحافة المقطوعة وتنفيذ SWAP (الشكل ، علامات النجمة). كمقياس جودة شامل، نبلغ أولاً عن مجموع الأخطاء المطلقة على المثبتات العقدية، أي ∑ ∈ ∣ − 1∣ (الجدول الموسع للبيانات ). إن حمل SWAP الكبير هو المسؤول عن خطأ مجموع 44.3 المطلق. خطأ 13.1 في اختبار الحافة المقطوعة يهيمن عليه ثماني عقد على القطع الأربعة (الشكل ، علامات النجمة). على النقيض من ذلك، تتأثر أخطاء LO و LOCC بـ MCMs. ننسب الخطأ الإضافي البالغ 1.9 لـ LOCC فوق LO إلى التأخيرات وبوابات CNOT في دائرة النقل وأزواج بيل المقطوعة. في النتائج المستندة إلى SWAP، لا يكتشف التشابك عبر 35 من أصل 116 حافة بمستوى ثقة 99% (الشكل ). بالنسبة لتنفيذ LO و LOCC، يشهد شهود إحصائيات التشابك الثنائي عبر جميع الحواف في بمستوى ثقة 99% (الشكل ). توضح هذه المقاييس أن البوابات طويلة المدى الافتراضية تنتج مثبتات بأخطاء أصغر من تفكيكها إلى SWAPs. علاوة على ذلك، فإنها تبقي التباين منخفضًا بما يكفي للتحقق من إحصائيات التشابك. G G V E E EE G G G E 2b–d E 2b,c 2c i V Si 1 2c 2b,d G 2e تشغيل وحدتي معالجة كمومية كوحدة واحدة نقوم الآن بدمج وحدتي معالجة كمومية Eagle تحتوي كل منهما على 127 كيوبت في وحدة معالجة كمومية واحدة عبر اتصال كلاسيكي في الوقت الفعلي. يتكون تشغيل الأجهزة كوحدة معالجة أكبر وأكبر من تنفيذ دوائر كمومية تمتد عبر سجل الكيوبت الأكبر. بصرف النظر عن البوابات الموحدة والقياسات التي تعمل بشكل متزامن على وحدة المعالجة المدمجة، نستخدم دوائر ديناميكية لتنفيذ البوابات التي تعمل على كيوبتات في كلا الجهازين. يتم تمكين ذلك عن طريق مزامنة وثيقة واتصال كلاسيكي سريع بين الأدوات المنفصلة ماديًا اللازمة لجمع نتائج القياس وتحديد تدفق التحكم عبر النظام بأكمله . 29 نحن نختبر هذا الاتصال الكلاسيكي في الوقت الفعلي عن طريق تصميم حالة رسم بياني على 134 كيوبت مبنية من حلقات سداسية ثقيلة تلتف عبر وحدتي المعالجة الكمومية (الشكل ). تم اختيار هذه الحلقات عن طريق استبعاد الكيوبتات التي تعاني من أنظمة ثنائية المستوى ومشاكل قراءة لضمان حالة رسم بياني عالية الجودة. تشكل هذه الرسم البياني حلقة في ثلاثة أبعاد وتتطلب أربع بوابات طويلة المدى ننفذها باستخدام LO و LOCC. كما في السابق، يتطلب بروتوكول LOCC كيوبتات إضافية لكل بوابة مقطوعة لأزواج بيل المقطوعة. كما هو الحال في القسم السابق، نقوم باختبار نتائجنا مقابل رسم بياني لا ينفذ الحواف التي تمتد عبر وحدتي المعالجة الكمومية. نظرًا لعدم وجود رابط كمومي بين الجهازين، فإن الاختبار باستخدام بوابات SWAP غير ممكن. تظهر جميع الحواف إحصائيات التشابك الثنائي عندما ننفذ الرسم البياني باستخدام LO و LOCC بمستوى ثقة 99%. علاوة على ذلك، فإن مثبتات LO و LOCC لها نفس جودة اختبار الحافة المقطوعة للعقد التي لا تتأثر ببوابة طويلة المدى (الشكل ). تتمتع المثبتات المتأثرة بالبوابات طويلة المدى بانخفاض كبير في الخطأ مقارنة باختبار الحافة المقطوعة. مجموع الأخطاء المطلقة على المثبتات العقدية ∑ ∈ ∣ − 1∣، هو 21.0، 19.2، و 12.6 لاختبار الحافة المقطوعة، و LOCC، و LO على التوالي. كما في السابق، ننسب الأخطاء الإضافية البالغة 6.6 لـ LOCC فوق LO إلى التأخيرات وبوابات CNOT في دائرة النقل وأزواج بيل المقطوعة. توضح نتائج LOCC كيف يمكن تنفيذ دائرة كمومية ديناميكية يتم فيها ربط دائرتين فرعيتين برابط كلاسيكي في الوقت الفعلي على وحدتي معالجة كمومية منفصلتين. يمكن الحصول على نتائج LO على جهاز واحد بـ 127 كيوبت بتكلفة عامل إضافي قدره 2 في وقت التشغيل حيث يمكن تشغيل الدوائر الفرعية بشكل متتابع. 3 3c i V Si ، حالة رسم بياني بشروط حدودية دورية معروضة في ثلاثة أبعاد. الحواف الزرقاء هي الحواف المقطوعة. ، خريطة الاقتران لوحدتي معالجة كمومية Eagle تعملان كجهاز واحد بـ 254 كيوبت. العقد الأرجوانية هي الكيوبتات التي تشكل حالة الرسم البياني في والعقد الزرقاء تستخدم لأزواج بيل المقطوعة. ، ، الخطأ المطلق على المثبتات ( ) وشهود الحواف ( ) المنفذة باستخدام LOCC (أخضر صلب) و LO (برتقالي صلب) وعلى رسم بياني اختبار للحواف المقطوعة (أحمر منقط) لحالة الرسم البياني في . في و ، تشير النجوم إلى المثبتات وشهود الحواف التي تتأثر بالقطع. في و ، المنطقة الرمادية هي كتلة الاحتمال المقابلة للمثبتات العقدية وشهود الحواف، على التوالي، المتأثرة بالقطع. في و ، نلاحظ أن تنفيذ LO يتفوق على اختبار الحواف المقطوعة، والذي نعزوه إلى ظروف جهاز أفضل حيث تم أخذ هذه البيانات في يوم مختلف عن بيانات الاختبار وبيانات LOCC. أ ب أ ج د ج د أ ج د ج د ج د مناقشة واستنتاج نحن ننفذ بوابات طويلة المدى باستخدام LO و LOCC
