```html Аўтары: Almudena Carrera Vazquez Caroline Tornow Diego Ristè Stefan Woerner Maika Takita Daniel J. Egger Рэзюмэ Квантовыя кампутары апрацоўваюць інфармацыю згодна з законамі квантавай механікі. Сучаснае квантовае апаратнае забеспячэнне з'яўляецца шумным, можа захоўваць інфармацыю толькі кароткі час і абмежавана некалькімі квантавымі бітамі, гэта значыць кубітамі, звычайна арганізаванымі ў плоскую сувязь . Аднак многія прымяненні квантавых вылічэнняў патрабуюць большай сувязі, чым плоская сетка, прапанаваная апаратным забеспячэннем, на большай колькасці кубітаў, чым даступна на адным квантавым працэсарным блоку (QPU). Супольнасць спадзяецца вырашыць гэтыя абмежаванні, злучаючы QPU з дапамогай класічнай сувязі, што яшчэ не было даказана эксперыментальна. Тут мы эксперыментальна рэалізуем дынамічныя схемы з змякчэннем памылак і разразаннем схем для стварэння квантавых станаў, якія патрабуюць перыядычнай сувязі, выкарыстоўваючы да 142 кубітаў, якія ахопліваюць два QPU з 127 кубітамі кожны, злучаных у рэжыме рэальнага часу класічнай сувязі. У дынамічнай схеме квантавыя гейты могуць класічна кіравацца вынікамі вымярэнняў у сярэдзіне схемы на працягу часу выканання, гэта значыць на працягу часткі часу когерентнасці кубітаў. Наша класічная сувязь у рэжыме рэальнага часу дазваляе нам прымяняць квантавы гейт на адным QPU ў залежнасці ад выніку вымярэння на іншым QPU. Акрамя таго, кіраванне патокам са змякчэннем памылак павялічвае сувязь кубітаў і набор інструкцый апаратнага забеспячэння, такім чынам павялічваючы ўніверсальнасць нашых квантавых кампутараў. Наша праца дэманструе, што мы можам выкарыстоўваць некалькі квантавых працэсараў як адзін з дынамічнымі схемамі са змякчэннем памылак, уключанымі праз класічную сувязь у рэжыме рэальнага часу. 1 Асноўная частка Квантавыя кампутары апрацоўваюць інфармацыю, зашыфраваную ў квантавых бітах, з дапамогай унітарных аперацый. Аднак квантавыя кампутары шумныя, і большасць маштабных архітэктур размяшчае фізічныя кубіты ў плоскай сетцы. Тым не менш, сучасныя працэсары са змякчэннем памылак ужо могуць мадэляваць натыўныя для апаратнага забеспячэння мадэлі Ізінга з 127 кубітамі і вымяраць назіральныя велічыні ў маштабе, дзе грубыя падыходы з класічнымі кампутарамі пачынаюць адчуваць цяжкасці . Карыснасць квантавых кампутараў залежыць ад далейшага маштабавання і пераадолення іх абмежаванай сувязі кубітаў. Модульны падыход важны для маштабавання сучасных шумных квантавых працэсараў і для дасягнення вялікай колькасці фізічных кубітаў, неабходных для безаварыйных вылічэнняў . Архітэктуры з захопленымі іёнамі і нейтральнымі атамамі могуць дасягнуць модульнасці шляхам фізічнай транспарціроўкі кубітаў , . У бліжэйшай перспектыве модульнасць у звышправодзячых кубітах дасягаецца каротказапорнымі злучэннямі, якія злучаюць суседнія чыпы , . 1 2 3 4 5 6 7 8 У сярэдняй перспектыве доўгія гейты, якія працуюць у мікрахвалевым рэжыме, могуць ажыццяўляцца праз доўгія стандартныя кабелі , , . Гэта дазволіла б непланарную сувязь кубітаў, прыдатную для эфектыўнай карэкцыі памылак . Доўгатэрміновай альтэрнатывай з'яўляецца заблытванне аддаленых QPU з дапамогай аптычнага злучэння, выкарыстоўваючы мікрахвалевую-аптычную пераўтваральніцу , што, наколькі нам вядома, яшчэ не было прадэманстравана. Акрамя таго, дынамічныя схемы пашыраюць набор аперацый квантавага кампутара шляхам выканання вымярэнняў у сярэдзіне схемы (MCM) і класічнага кіравання гейтам у межах часу когерентнасці кубітаў. Яны павышаюць якасць алгарытмаў і сувязь кубітаў . Як мы пакажам, дынамічныя схемы таксама забяспечваюць модульнасць, злучаючы QPU ў рэжыме рэальнага часу праз класічную сувязь. 9 10 11 3 12 13 14 Мы прымаем дадатковы падыход, заснаваны на віртуальных гейтах, для рэалізацыі доўгіх узаемадзеянняў у модульнай архітэктуры. Мы злучаем кубіты ў адвольных месцах і ствараем статыстыку заблытвання праз дэкампазіцыю квазі-верагоднасці (QPD) , , . Мы параўноўваем схему, якая выкарыстоўвае толькі мясцовыя аперацыі (LO) , з той, што дапоўнена класічнай сувяззю (LOCC) . Схема LO, прадэманстраваная ў двухкубітным асяроддзі , патрабуе выканання некалькіх квантавых схем толькі з мясцовымі аперацыямі. Наадварот, для рэалізацыі LOCC мы выкарыстоўваем віртуальныя пары Белла ў схеме тэлепартацыі для стварэння двухкубітных гейтаў , . На квантавым апаратным забеспячэнні з рэдкай і плоскай сувяззю стварэнне пары Белла паміж адвольнымі кубітамі патрабуе доўгага кантраляванага-НЕ (CNOT) гейта. Каб пазбегнуць гэтых гейтаў, мы выкарыстоўваем QPD па мясцовых аперацыях, што прыводзіць да разрэзаных пар Белла, якія выкарыстоўваюцца ў тэлепартацыі. LO не патрабуе класічнай сувязі і таму прасцей у рэалізацыі, чым LOCC. Аднак, паколькі LOCC патрабуе толькі адной параметрычнай шаблоннай схемы, яе лягчэй скампіляваць, чым LO, і кошт яе QPD ніжэйшы за кошт схемы LO. 15 16 17 16 17 18 19 20 Наша праца ўключае чатыры асноўныя ўклады. Па-першае, мы прадстаўляем квантавыя схемы і QPD для стварэння некалькіх разрэзаных пар Белла для рэалізацыі віртуальных гейтаў у спасылцы . Па-другое, мы зніжаем і змякчаем памылкі, якія ўзнікаюць з-за затрымкі класічнага кіруючага апаратнага забеспячэння ў дынамічных схемах , шляхам камбінацыі дынамічнага прыглушэння і экстрапаляцыі без памылак . Па-трэцяе, мы выкарыстоўваем гэтыя метады для распрацоўкі перыядычных мяжовых умоў на графіку з 103 вузламі. Па-чацвёртае, мы дэманструем класічнае злучэнне ў рэжыме рэальнага часу паміж двума асобнымі QPU, такім чынам дэманструючы, што сістэму размеркаваных QPU можна эксплуатаваць як адну праз класічную сувязь . У спалучэнні з дынамічнымі схемамі гэта дазваляе нам эксплуатаваць абодва чыпы як адзін квантавы кампутар, што мы праілюструем, распрацаваўшы перыядычны граф стану, які ахоплівае абодва прылады на 142 кубітах. Мы абмяркоўваем шлях наперад для стварэння доўгіх гейтаў і прадстаўляем нашы высновы. 17 21 22 23 Разразанне схемы Мы запускаем вялікія квантавыя схемы, якія не могуць быць непасрэдна выкананы на нашым апаратным забеспячэнні з-за абмежаванняў па колькасці кубітаў або сувязі, разразаючы гейты. Разразанне схемы разбівае складаную схему на падсхемы, якія могуць быць выкананы індывідуальна , , , , , . Аднак мы павінны запусціць павялічаную колькасць схем, якія мы называем накладнымі выдаткамі на выбарку. Вынікі гэтых падсхем затым класічна аб'ядноўваюцца, каб атрымаць вынік арыгінальнай схемы (гл. раздзел « »). 15 16 17 24 25 26 Метады Паколькі адным з асноўных укладаў нашай працы з'яўляецца рэалізацыя віртуальных гейтаў з LOCC, мы паказваем, як стварыць неабходныя разрэзаныя пары Белла з дапамогай мясцовых аперацый. Тут некалькі разрэзаных пар Белла распрацоўваюцца з дапамогай параметрычных квантавых схем, якія мы называем фабрыкай разрэзаных пар Белла (мал. 1b,c) . Разразанне некалькіх пар адначасова патрабуе меншых накладных выдаткаў на выбарку . Паколькі фабрыка разрэзаных пар Белла ўтварае дзве дыскрэтныя квантавыя схемы, мы размяшчаем кожную падсхему побач з кубітамі, якія маюць доўгія гейты. Атрыманы рэсурс затым выкарыстоўваецца ў схеме тэлепартацыі. Напрыклад, на мал. 1b разрэзаныя пары Белла выкарыстоўваюцца для стварэння CNOT гейтаў на парах кубітаў (0, 1) і (2, 3) (гл. раздзел « »). 1b,c 17 Фабрыкі разрэзаных пар Белла , Ілюстрацыя архітэктуры IBM Quantum System Two. Тут два 127-кубітныя Eagle QPU злучаны класічнай сувяззю ў рэжыме рэальнага часу. Кожны QPU кіруецца сваёй электронікай у сваім стэлажы. Мы цесна сінхранізуем абодва стэлажы, каб эксплуатаваць абодва QPU як адзін. , Шаблонная квантавая схема для рэалізацыі віртуальных CNOT гейтаў на парах кубітаў (q0, q1) і (q2, q3) з LOCC шляхам выкарыстання разрэзаных пар Белла ў схеме тэлепартацыі. Фіялетавыя падвойныя лініі адпавядаюць класічнай сувязі ў рэжыме рэальнага часу. , Фабрыкі разрэзаных пар Белла C2(θi) для дзвюх адначасова разрэзаных пар Белла. QPD мае ў агульнай складанасці 27 розных набораў параметраў θi. Тут. a b c Перыядычныя мяжовыя ўмовы Мы канструюем граф стану |G⟩ з перыядычнымі мяжовымі ўмовамі на ibm_kyiv, працэсары Eagle , перавышаючы абмежаванні, устаноўленыя яго фізічнай сувяззю (гл. раздзел « »). Тут G мае |V|=103 вузлы і патрабуе чатыры доўгія сувязі E = {(1, 95), (2, 98), (6, 102), (7, 97)} паміж верхнімі і ніжнімі кубітамі працэсара Eagle (мал. 2a) . Мы вымяраем стабілізатары вузлоў Si на кожным вузле i ∈ V і стабілізатары рэбраў, утвораныя прадуктам SiSj па кожным рэбры (i, j) ∈ E. З гэтых стабілізатараў мы будуем сведку заблытвання, які адмоўны, калі існуе двухбаковае заблытванне па рэбры (i, j) ∈ E (спасылка ) (гл. раздзел « »). Мы факусуемся на двухбаковым заблытванні, таму што гэта той рэсурс, які мы хочам аднавіць з дапамогай віртуальных гейтаў. Вымярэнне сведак заблытвання паміж больш чым дзвюма бакамі вымярае толькі якасць негартаваных гейтаў і вымярэнняў, робячы ўплыў віртуальных гейтаў менш ясным. 1 Граф стану lr 2a 27 Сведка заблытвання , Цяжкі шасцікутны граф складзены сам на сябе ў трубчастую форму рэбрамі (1, 95), (2, 98), (6, 102) і (7, 97), выдзеленымі сінім колерам. Мы разразаем гэтыя рэбры. , Стабілізатары вузлоў Sj (уверсе) і сведкі , (унізе), з 1 стандартным адхіленнем для вузлоў і рэбраў, блізкіх да доўгіх рэбраў. Вертыкальныя пункцірныя лініі групавалі стабілізатары і сведкі паводле іх адлегласці ад разрэзаных рэбраў. , Функцыя кумулятыўнага размеркавання памылак стабілізатара. Зоркі пазначаюць стабілізатары вузлоў Sj, якія маюць рэбро, рэалізаванае доўгім гейтам. У тэсце апушчаных рэбраў (штрих-пункцірнай чырвонай лініяй) доўгія гейты не рэалізаваны, і стабілізатары, пазначаныя зоркамі, такім чынам маюць адзінкавую памылку. Шэрая вобласць - гэта маса верагоднасці, якая адпавядае стабілізатарам вузлоў, на якія ўплываюць разрэзы. - , У двухмерных макетах зялёныя вузлы дублююць вузлы 95, 98, 102 і 97, каб паказаць разрэзаныя рэбры. Сінія вузлы на - гэта рэсурсы кубітаў для стварэння разрэзаных пар Белла. Колер вузла i - гэта абсалютная памылка |Si - 1| вымеранага стабілізатара, як паказана каляровай шкалой. Рэбро чорнае, калі статыстыка заблытвання выяўлена з 99% узроўнем даверу, і фіялетавае, калі не. На доўгія гейты рэалізуюцца з дапамогай SWAP гейтаў. На тыя ж гейты рэалізуюцца з LOCC. На яны наогул не рэалізаваны. a b c d f e d e f Мы рыхтуем |G⟩ з дапамогай трох розных метадаў. Натыўныя для апаратнага забеспячэння рэбры заўсёды рэалізуюцца з дапамогай CNOT гейтаў, але перыядычныя мяжовыя ўмовы рэалізуюцца з дапамогай (1) SWAP гейтаў, (2) LOCC і (3) LO для злучэння кубітаў па ўсёй сетцы. Асноўная розніца паміж LOCC і LO - гэта аперацыя зваротнай сувязі, якая складаецца з аднакубітных гейтаў, залежных ад 2n вынікаў вымярэнняў, дзе n - колькасць разрэзаў. Кожны з 22n выпадкаў запускае унікальную камбінацыю X і/або Z гейтаў на адпаведных кубітах. Атрыманне вынікаў вымярэнняў, вызначэнне адпаведнага выпадку і дзеянне на аснове яго выконваецца ў рэжыме рэальнага часу кіруючым апаратным забеспячэннем, коштам фіксаванай дадатковай затрымкі. Мы змякчаем і зніжаем памылкі, якія ўзнікаюць з-за гэтай затрымкі, з дапамогай экстрапаляцыі без памылак і пачарговага дынамічнага прыглушэння , (гл. раздзел « »). 22 21 28 Інструкцыі па пераключэнні квантавых схем са змякчэннем памылак Мы тэсціруем SWAP, LOCC і LO рэалізацыі |G⟩ з дапамогай натыўнага для апаратнага забеспячэння графіка стану на G'=(V, E') , атрыманага шляхам выдалення доўгіх гейтаў, гэта значыць E'=EE . Схема, якая рыхтуе |G'⟩, такім чынам, патрабуе толькі 112 CNOT гейтаў, арганізаваных у тры пласты пасля цяжкага шасцікутнага размяшчэння працэсара Eagle. Гэтая схема будзе паведамляць пра вялікія памылкі пры вымярэнні вузловых і рэбравых стабілізатараў |G⟩ для вузлоў на разрэзе, паколькі яна прызначана для рэалізацыі |G'⟩. Мы называем гэты натыўны для апаратнага забеспячэння тэст тэстам апушчаных рэбраў. Схема, якая выкарыстоўвае SWAP, патрабуе дадатковых 262 CNOT гейтаў для стварэння доўгіх рэбраў E , што рэзка зніжае значэнне вымераных стабілізатараў (мал. 2b-d) . Наадварот, рэалізацыя LOCC і LO рэбраў E не патрабуе SWAP гейтаў. Памылкі іх вузловых і рэбравых стабілізатараў для вузлоў, не ўцягнутых у разрэз, цесна адпавядаюць тэсту апушчаных рэбраў (мал. 2b,c) . Наадварот, стабілізатары, якія ўключаюць віртуальны гейт, маюць ніжэйшую памылку, чым тэст апушчаных рэбраў і рэалізацыя SWAP (мал. 2c, зоркавыя маркеры) . У якасці агульнага паказчыка якасці мы спачатку паведамляем суму абсалютных памылак на вузловых стабілізатарах, гэта значыць ∑ |S - 1| (пашыраная табліца дадзеных 1) . Вялікія накладныя выдаткі на SWAP адказваюць за суму абсалютных памылак 44.3. Памылка 13.1 у тэсце апушчаных рэбраў у асноўным абумоўлена васьмі вузламі на чатырох разрэзах (мал. 2c, зоркавыя маркеры) . Наадварот, памылкі LO і LOCC закрануты MCM. Мы адносім 1.9 дадатковай памылкі LOCC над LO да затрымак і CNOT гейтаў у схеме тэлепартацыі і разрэзаных парах Белла. У выніках, заснаваных на SWAP, не выяўляе заблытвання па 35 са 116 рэбраў з 99% узроўнем даверу (мал. 2b,d) . Для рэалізацыі LO і LOCC сведка выяўляе статыстыку двухбаковага заблытвання па ўсіх рэбрах G з 99% узроўнем даверу (мал. 2e) . Гэтыя паказчыкі паказваюць, што віртуальныя доўгія гейты ствараюць стабілізатары з меншымі памылкамі, чым іх дэкампазіцыя ў SWAP. Акрамя таго, яны захоўваюць дысперсію дастаткова нізкай, каб праверыць статыстыку заблытвання. lr lr 2b-d lr 2b,c 2c i∈V i 1 2c 2b,d 2e Эксплуатацыя двух QPU як аднаго Цяпер мы аб'ядноўваем два Eagle QPU з 127 кубітамі кожны ў адзіны QPU праз класічнае злучэнне ў рэжыме рэальнага часу. Эксплуатацыя прылад як аднаго, большага працэсара складаецца з выканання квантавых схем, якія ахопліваюць большы рэгістр кубітаў. Акрамя ўнітарных гейтаў і вымярэнняў, якія выконваюцца адначасова на аб'яднаным QPU, мы выкарыстоўваем дынамічныя схемы для выканання гейтаў, якія дзейнічаюць на кубітах на абодвух прыладах. Гэта ажыццяўляецца дзякуючы цеснай сінхранізацыі і хуткай класічнай сувязі паміж фізічна асобнымі прыладамі, неабходнымі для збору вынікаў вымярэнняў і вызначэння патоку кіравання па ўсёй сістэме . 29 Мы тэ
