```html ავტორები: Almudena Carrera Vazquez Caroline Tornow Diego Ristè Stefan Woerner Maika Takita Daniel J. Egger რეზიუმე კვანტური კომპიუტერები ინფორმაციას ამუშავებენ კვანტური მექანიკის კანონებით. ამჟამინდელი კვანტური აპარატურა ხმაურიანია, ინფორმაციას მხოლოდ მცირე ხნით ინახავს და შეზღუდულია რამდენიმე კვანტური ბიტით, ანუ კუბიტით, რომლებიც ტიპიურად ბრტყელ კავშირშია განლაგებული . თუმცა, კვანტური კომპიუტერების მრავალი აპლიკაცია მოითხოვს მეტ კავშირს, ვიდრე ბრტყელი ბადე, რომელსაც აპარატურა სთავაზობს მეტ კუბიტზე, ვიდრე ხელმისაწვდომია ერთ კვანტურ პროცესორულ ერთეულზე (QPU). საზოგადოება იმედოვნებს, რომ ამ შეზღუდვებს დაძლევს QPUs-ის დაკავშირებით კლასიკური კომუნიკაციის გამოყენებით, რაც ჯერ არ არის ექსპერიმენტულად დამტკიცებული. აქ ჩვენ ექსპერიმენტულად ვახორციელებთ შეცდომის შემცირებული დინამიურ წრედებს და წრედის გაჭრას, რათა შევქმნათ კვანტური მდგომარეობები, რომლებიც მოითხოვს პერიოდულ კავშირს 142 კუბიტამდე, რომლებიც მოიცავს ორ QPU-ს თითოეულ 127 კუბიტით, დაკავშირებული რეალურ დროში კლასიკური ბმულით. დინამიურ წრედში, კვანტური კარიბჭეები შეიძლება კლასიკურად კონტროლდებოდეს შუა წრედის გაზომვების შედეგებით გაშვების დროს, ანუ კუბიტების კოჰერენტულობის დროის ფრაქციაში. ჩვენი რეალურ დროში კლასიკური ბმული საშუალებას გვაძლევს, დავაყენოთ კვანტური კარიბჭე ერთ QPU-ზე, რომელიც დამოკიდებულია სხვა QPU-ზე გაზომვის შედეგზე. გარდა ამისა, შეცდომის შემცირებული კონტროლის ნაკადი აძლიერებს კუბიტის კავშირს და აპარატურის ინსტრუქციების კომპლექტს, რითაც ზრდის ჩვენი კვანტური კომპიუტერების მრავალფეროვნებას. ჩვენი ნამუშევარი დემონსტრირებს, რომ ჩვენ შეგვიძლია გამოვიყენოთ რამდენიმე კვანტური პროცესორი ერთის სახით, შეცდომის შემცირებული დინამიური წრედებით, რომლებსაც უზრუნველყოფს რეალურ დროში კლასიკური ბმული. 1 მთავარი კვანტური კომპიუტერები ინფორმაციას ამუშავებენ კუბიტებში დაშიფრულს უნიტარული ოპერაციებით. თუმცა, კვანტური კომპიუტერები ხმაურიანია და უმეტესობა დიდი მასშტაბის არქიტექტურები ფიზიკურ კუბიტებს განათავსებენ ბრტყელ ბადეში. მიუხედავად ამისა, ამჟამინდელი შეცდომის შემცირების მქონე პროცესორებს შეუძლიათ უკვე სიმულირება მოახდინონ აპარატურის მშობლიური Ising მოდელები 127 კუბიტით და გაზომონ ობსერვაბლები იმ მასშტაბზე, სადაც კლასიკური კომპიუტერებით brute-force მიდგომები იწყებენ ბრძოლას . კვანტური კომპიუტერების სასარგებლოობა დამოკიდებულია შემდგომ მასშტაბზე და მათი შეზღუდული კუბიტის კავშირის გადალახვაზე. მოდულარული მიდგომა მნიშვნელოვანია მიმდინარე ხმაურიანი კვანტური პროცესორების მასშტაბისთვის და შეცდომებისადმი მდგრადი დიდი რაოდენობით ფიზიკური კუბიტების მისაღწევად . ჩარჩოებული იონური და ნეიტრალური ატომების არქიტექტურებს შეუძლიათ მოდულარობის მიღწევა ფიზიკურად ატომების ტრანსპორტირებით , . უახლოეს პერსპექტივაში, სუპერგამტარ კუბიტებში მოდულარობა მიიღწევა მოკლე დისტანციის ინტერკონექტებით, რომლებიც აკავშირებენ მიმდებარე ჩიპებს , . 1 2 3 4 5 6 7 8 საშუალო პერსპექტივაში, მიკროტალღურ დიაპაზონში მომუშავე გრძელ დისტანციურმა კარიბჭეებმა შეიძლება განხორციელდეს გრძელი კონვენციური კაბელების მეშვეობით , , . ეს შესაძლებელს გახდის არაბრტყელ კუბიტის კავშირს, რომელიც შესაფერისია ეფექტური შეცდომების კორექციისთვის . გრძელვადიანი ალტერნატივა არის დისტანციური QPU-ების ჩახლართვა ოპტიკური ბმულით, რომელიც იყენებს მიკროტალღურ-ოპტიკურ ტრანსდუქციას , რაც, ჩვენი ცოდნით, ჯერ არ არის დემონსტრირებული. გარდა ამისა, დინამიური წრედები აფართოებენ კვანტური კომპიუტერის ოპერაციების კომპლექტს შუა წრედის გაზომვების (MCMs) ჩატარებით და კარიბჭის კლასიკურად კონტროლით კუბიტების კოჰერენტულობის დროის განმავლობაში. ისინი აძლიერებენ ალგორითმულ ხარისხს და კუბიტის კავშირს . როგორც ქვემოთ ვაჩვენებთ, დინამიური წრედები ასევე შესაძლებელს ხდის მოდულარობას, QPU-ების რეალურ დროში დაკავშირებით კლასიკური ბმულით. 9 10 11 3 12 13 14 ჩვენ ვიღებთ დამატებით მიდგომას, რომელიც დაფუძნებულია ვირტუალურ კარიბჭეებზე, რათა განვახორციელოთ გრძელი დისტანციის ურთიერთქმედებები მოდულარულ არქიტექტურაში. ჩვენ ვაკავშირებთ კუბიტებს თვითნებურ ადგილებში და ვქმნით ჩახლართულობის სტატისტიკას კვაზი-ალბათური დაშლის (QPD) მეშვეობით , , . ჩვენ ვადარებთ ადგილობრივი ოპერაციების (LO) მხოლოდ სქემას ერთს, რომელიც გამდიდრებულია კლასიკური კომუნიკაციით (LOCC) . LO სქემა, რომელიც ნაჩვენებია ორკუბიტიან გარემოში , მოითხოვს მრავალი კვანტური წრედის გაშვებას მხოლოდ ადგილობრივი ოპერაციებით. კონტრასტულად, LOCC-ის განსახორციელებლად, ჩვენ ვიყენებთ ვირტუალურ ბელის წყვილებს ტელეპორტაციის წრედში, რათა შევქმნათ ორკუბიტიანი კარიბჭეები , . აპარატურაზე მწირი და ბრტყელი კავშირით, თვითნებურ კუბიტებს შორის ბელის წყვილის შექმნა მოითხოვს გრძელი დისტანციის კონტროლირებულ-NOT (CNOT) კარიბჭეს. ამ კარიბჭეების თავიდან ასაცილებლად, ჩვენ ვიყენებთ QPD-ს ადგილობრივ ოპერაციებზე, რაც იწვევს გაჭრილ ბელის წყვილებს, რომლებსაც ტელეპორტაცია იყენებს. LO-ს არ სჭირდება კლასიკური ბმული და ამით უფრო მარტივია განსახორციელებლად, ვიდრე LOCC. თუმცა, რადგან LOCC-ს მხოლოდ ერთი პარამეტრიზებული შაბლონის წრედი სჭირდება, მისი კომპილაცია უფრო ეფექტურია, ვიდრე LO და მისი QPD-ის ღირებულება უფრო დაბალია, ვიდრე LO სქემის ღირებულება. 15 16 17 16 17 18 19 20 ჩვენი ნამუშევარი შეიცავს ოთხ ძირითად წვლილს. პირველ რიგში, ჩვენ წარმოგიდგენთ კვანტურ წრედებს და QPD-ს, რათა შევქმნათ მრავალი გაჭრილი ბელის წყვილი, რათა განვახორციელოთ ვირტუალური კარიბჭეები ref. -ში. მეორე, ჩვენ ჩავახშობთ და შევამცირებთ შეცდომებს, რომლებიც წარმოიქმნება კლასიკური კონტროლის აპარატურის დაგვიანებისგან დინამიურ წრედებში დინამიური დათრგუნვისა და ნულოვანი ხმაურის ექსტრაპოლაციის კომბინაციით . მესამე, ჩვენ ვიყენებთ ამ მეთოდებს პერიოდული საზღვრის პირობების ინჟინერიისთვის 103-კვანძიან გრაფზე. მეოთხე, ჩვენ ვამტკიცებთ რეალურ დროში კლასიკურ კავშირს ორ ცალკეულ QPU-ს შორის, რითაც ვამტკიცებთ, რომ განაწილებული QPU-ების სისტემა შეიძლება იმუშაოს ერთის სახით კლასიკური ბმულით . დინამიურ წრედებთან ერთად, ეს საშუალებას გვაძლევს, ორივე ჩიპი გამოვიყენოთ როგორც ერთი კვანტური კომპიუტერი, რასაც ჩვენ ვანიშნებთ პერიოდული გრაფის შექმნით, რომელიც მოიცავს ორივე მოწყობილობას 142 კუბიტზე. ჩვენ განვიხილავთ გრძელი დისტანციის კარიბჭეების შექმნის გზას და მოგვცემთ ჩვენს დასკვნას. 17 21 22 23 წრედის გაჭრა ჩვენ ვასრულებთ დიდ კვანტურ წრედებს, რომლებიც შეიძლება არ იყოს პირდაპირ შესრულებადი ჩვენს აპარატურაზე კუბიტის რაოდენობის ან კავშირის შეზღუდვების გამო, კარიბჭეების გაჭრით. წრედის გაჭრა შლის რთულ წრედს ქვე-წრედებად, რომლებიც შეიძლება ინდივიდუალურად შესრულდეს , , , , , . თუმცა, ჩვენ უნდა გავუშვათ გაზრდილი რაოდენობის წრედები, რომლებსაც ჩვენ ვუწოდებთ ნიმუშების დამატებით ხარჯს. ამ ქვე-წრედების შედეგები შემდეგ კლასიკურად გაერთიანდება ორიგინალი წრედის შედეგის მისაღებად ( ). 15 16 17 24 25 26 მეთოდები რადგან ჩვენი ნამუშევრის მთავარი წვლილი არის ვირტუალური კარიბჭეების განხორციელება LOCC-ით, ჩვენ ვაჩვენებთ, თუ როგორ უნდა შეიქმნას საჭირო გაჭრილი ბელის წყვილები ადგილობრივი ოპერაციებით. აქ, მრავალი გაჭრილი ბელის წყვილი ინჟინერირებულია პარამეტრიზებული კვანტური წრედებით, რომლებსაც ჩვენ ვუწოდებთ გაჭრილი ბელის წყვილის ქარხანას (ნახ. ). ერთდროულად მრავალი წყვილის გაჭრა მოითხოვს ნიმუშების ნაკლებ დამატებით ხარჯს . რადგან გაჭრილი ბელის წყვილის ქარხანა ქმნის ორ დისკრეტულ კვანტურ წრედს, ჩვენ თითოეულ ქვე-წრედს ვათავსებთ კუბიტებთან ახლოს, რომლებსაც აქვთ გრძელი დისტანციის კარიბჭეები. მიღებული რესურსი შემდეგ გამოიყენება ტელეპორტაციის წრედში. მაგალითად, ნახ. -ში, გაჭრილი ბელის წყვილები გამოიყენება CNOT კარიბჭეების შესაქმნელად კუბიტის წყვილებზე (0, 1) და (2, 3) (იხ. განყოფილება „ “). 1b,c 17 1b გაჭრილი ბელის წყვილის ქარხნები , IBM Quantum System Two არქიტექტურის გამოსახულება. აქ, ორი 127 კუბიტის Eagle QPU დაკავშირებულია რეალურ დროში კლასიკური ბმულით. თითოეული QPU კონტროლდება მისი ელექტრონიკით მის თაროში. ჩვენ მჭიდროდ ვახდენთ ორივე თაროს სინქრონიზაციას, რათა ორივე QPU გამოვიყენოთ ერთის სახით. , შაბლონის კვანტური წრედი ვირტუალური CNOT კარიბჭეების განსახორციელებლად კუბიტის წყვილებზე ( 0, 1) და ( 2, 3) LOCC-ით, გაჭრილი ბელის წყვილების გამოყენებით ტელეპორტაციის წრედში. მეწამული ორმაგი ხაზები შეესაბამება რეალურ დროში კლასიკურ ბმულს. , გაჭრილი ბელის წყვილის ქარხნები 2( ) ორი ერთდროულად გაჭრილი ბელის წყვილისთვის. QPD-ს აქვს ჯამში 27 სხვადასხვა პარამეტრის ნაკრები . აქ, . ა ბ q q q q გ C θ i θ i პერიოდული საზღვრის პირობები ჩვენ ავაშენეთ გრაფის მდგომარეობა | ⟩ პერიოდული საზღვრის პირობებით ibm_kyiv-ზე, Eagle პროცესორზე , სცილდება მის ფიზიკურ კავშირს (იხ. განყოფილება „ “). აქ, აქვს ∣ ∣ = 103 კვანძი და მოითხოვს ოთხ გრძელ დისტანციურ კავშირს lr = {(1, 95), (2, 98), (6, 102), (7, 97)} Eagle პროცესორის ზედა და ქვედა კუბიტებს შორის (ნახ. ). ჩვენ ვზომავთ კვანძის სტაბილიზატორებს თითოეულ კვანძზე ∈ და კავშირის სტაბილიზატორებს, რომლებიც ჩამოყალიბებულია პროდუქტით თითოეულ კავშირზე ( , ) ∈ . ამ სტაბილიზატორებიდან, ჩვენ ავაშენებთ ჩახლართულობის მოწმეს , რომელიც უარყოფითია, თუ არის ბიპარტიტული ჩახლართულობა კავშირზე ( , ) ∈ (ref. ) (იხ. განყოფილება „ “). ჩვენ ვამახვილობთ ყურადღებას ბიპარტიტულ ჩახლართულობაზე, რადგან ეს არის რესურსი, რომლის შექმნაც გვინდა ვირტუალური კარიბჭეებით. ორზე მეტი მხარის ჩახლართულობის მოწმეების გაზომვა მხოლოდ არავირტუალური კარიბჭეების და გაზომვების ხარისხს გაზომავს, რაც ვირტუალური კარიბჭეების გავლენას ნაკლებად ნათელს ხდის. G 1 გრაფის მდგომარეობები G V E 2a Si i V SiSj i j E i j E 27 ჩახლართულობის მოწმე , მძიმე-ექვსკუთხა გრაფიკი დაიკეცება თავის თავზე მილისებურ ფორმაში კავშირებით (1, 95), (2, 98), (6, 102) და (7, 97), რომლებიც ხაზგასმულია ლურჯად. ჩვენ ვჭრით ამ კავშირებს. , კვანძის სტაბილიზატორები (ზედა) და მოწმეები , (ქვედა), 1 სტანდარტული გადახრით კვანძებისა და კავშირებისთვის, რომლებიც ახლოსაა გრძელი დისტანციის კავშირებთან. ვერტიკალური წყვეტილი ხაზები აჯგუფებენ სტაბილიზატორებსა და მოწმეებს მათი დაშორებით გაჭრილი კავშირებიდან. **გ**, სტაბილიზატორის შეცდომების კუმულაციური განაწილების ფუნქცია. ვარსკვლავები მიუთითებენ კვანძის სტაბილიზატორებს , რომლებსაც აქვთ გრძელი დისტანციური კარიბჭით განხორციელებული კავშირი. ჩამოშლილი კავშირის ბენჩმარკში (წითელი ხაზი), გრძელი დისტანციის კარიბჭეები არ არის განხორციელებული და ვარსკვლავით მითითებულ სტაბილიზატორებს აქვთ ერთეული შეცდომა. ნაცრისფერი უბანი არის ალბათობის მასა, რომელიც შეესაბამება კვანძის სტაბილიზატორებს, რომლებზეც გავლენას ახდენს გაჭრა. **დ**– , ორგანზომილებიან განლაგებებში, მწვანე კვანძები დუბლირებენ კვანძებს 95, 98, 102 და 97, რათა აჩვენონ გაჭრილი კავშირები. **ე**-ს ლურჯი კვანძები არის კუბიტის რესურსები გაჭრილი ბელის წყვილების შესაქმნელად. კვანძის ფერი არის აბსოლუტური შეცდომა ∣ − 1∣ გაზომილი სტაბილიზატორის, როგორც ეს მითითებულია ფერის ზოლით. კავშირი შავია, თუ ჩახლართულობის სტატისტიკა გამოვლენილია 99% ნდობის დონეზე და იასამნისფერი, თუ არა. **დ**-ში, გრძელი დისტანციის კარიბჭეები განხორციელებულია SWAP კარიბჭეებით. **ე**-ში, იგივე კარიბჭეები განხორციელებულია LOCC-ით. **ვ**-ში, ისინი საერთოდ არ არის განხორციელებული. ა ბ Sj Sj ვ i Si ჩვენ ვამზადებთ | ⟩ სამი განსხვავებული მეთოდით. აპარატურის მშობლიური კავშირები ყოველთვის ხორციელდება CNOT კარიბჭეებით, მაგრამ პერიოდული საზღვრის პირობები ხორციელდება (1) SWAP კარიბჭეებით, (2) LOCC და (3) LO კუბიტების მთელ ბადეზე დასაკავშირებლად. LOCC-სა და LO-ს შორის მთავარი განსხვავება არის არხის მეშვეობით ოპერაცია, რომელიც შედგება ერთკუბიტიანი კარიბჭეებისგან, რომლებიც დამოკიდებულია 2 გაზომვის შედეგებზე, სადაც არის გაჭრების რაოდენობა. 22 შემთხვევათაგან თითოეული იწვევს და/ან კარიბჭეების უნიკალურ კომბინაციას შესაბამის კუბიტებზე. გაზომვის შედეგების მიღება, შესაბამისი შემთხვევის განსაზღვრა და მასზე დაფუძნებული მოქმედება ხდება რეალურ დროში კონტროლის აპარატურით, ფიქსირებული დამატებითი დაგვიანების ფასად. ჩვენ ვამცირებთ და ვთრგუნავთ შეცდომებს, რომლებიც წარმოიქმნება ამ დაგვიანებისგან ნულოვანი ხმაურის ექსტრაპოლაციით და დაშორებული დინამიური დათრგუნვით , (იხ. განყოფილება „ “). G n n n X Z 22 21 28 შეცდომის შემცირებული კვანტური წრედის გადამრთველი ინსტრუქციები ჩვენ ვბენჩმარკავთ | ⟩-ის SWAP, LOCC და LO განხორციელებებს აპარატურის მშობლიურ გრაფის მდგომარეობით ′ = ( , ′), მიღებული გრძელი დისტანციის კარიბჭეების ამოღებით, ანუ ′ = lr. | ′⟩-ის მოსამზადებელი წრედი ამით მოითხოვს მხოლოდ 112 CNOT კარიბჭეს, სამ ფენად განლაგებულს, Eagle პროცესორის მძიმე-ექვსკუთხა ტოპოლოგიის მიხედვით. ეს წრედი მოახსენებს დიდ შეცდომებს | ⟩-ის კვანძისა და კავშირის სტაბილიზატორების გაზომვისას, კვანძებზე გაჭრილი კარიბჭის მქონე კვანძებისთვის, რადგან ის შექმნილია | ′⟩-ის განსახორციელებლად. ჩვენ ამ აპარატურის მშობლიურ ბენჩმარკს ვუწოდებთ ჩამოშლილი კავშირის ბენჩმარკს. SWAP-ზე დაფუძნებული წრედი მოითხოვს დამატებით 262 CNOT კარიბჭეს გრძელი დისტანციის კავშირების lr-ის შესაქმნელად, რაც დრამატულად ამცირებს გაზომილი სტაბილიზატორების მნიშვნელობას (ნახ. ). პირიქით, LOCC და LO კავშირების განხორციელება lr-ში არ საჭიროებს SWAP კარიბჭეებს. მათი კვანძისა და კავშირის სტაბილიზატორების შეცდომები, კვანძებისთვის, რომლებიც არ მონაწილეობენ გაჭრილ კარიბჭეში, მჭიდროდ მიჰყვება ჩამოშლილი კავშირის ბენჩმარკს (ნახ. ). პირიქით, ვირტუალური კარიბჭის შემცველი G G V E E EE G G G E 2b–d E 2b,c
