```html ავტორები: ალმუდენა კერა ვასკესი კაროლინ ტურნოვი დიეგო რიტე სტეფან ვორნერი მაიკა ტაკიტა დანიელ ჯ. ეგერი რეზიუმე კვანტური კომპიუტერები ამუშავებენ ინფორმაციას კვანტური მექანიკის კანონების გამოყენებით. ამჟამინდელი კვანტური აპარატურა ხმაურიანია, ინფორმაციას მხოლოდ მცირე ხნით ინახავს და შეზღუდულია რამდენიმე კვანტური ბიტით, ანუ კუბიტებით, რომლებიც, როგორც წესი, განლაგებულია პლანარული დაკავშირებულობით . თუმცა, კვანტური კომპიუტერების მრავალი აპლიკაცია მოითხოვს უფრო მეტ კავშირს, ვიდრე პლანარული ბადე, რომელსაც აპარატურა სთავაზობს მეტ კუბიტზე, ვიდრე ხელმისაწვდომია ერთ კვანტურ პროცესორზე (QPU). საზოგადოება იმედოვნებს, რომ ამ შეზღუდვებს დაძლევს QPU-ების კლასიკური კომუნიკაციით დაკავშირებით, რაც ჯერ ექსპერიმენტულად დამტკიცებული არ არის. აქ ჩვენ ექსპერიმენტულად ვახორციელებთ შეცდომების შემცირების დინამიკურ წრედებს და წრედის გაჭრას, რათა შევქმნათ კვანტური მდგომარეობები, რომლებიც საჭიროებენ პერიოდულ კავშირს 142 კუბიტამდე, რომლებიც მოიცავს ორ QPU-ს, თითოეული 127 კუბიტით, დაკავშირებული რეალურ დროში კლასიკური ბმულით. დინამიურ წრედში, კვანტური კარიბჭეები შეიძლება კლასიკურად კონტროლდებოდეს შუა-წრედული გაზომვების შედეგებით გაშვების დროს, ანუ კუბიტების კოჰერენტობის დროის ფრაქციაში. ჩვენი რეალურ დროში კლასიკური ბმული საშუალებას გვაძლევს, კვანტური კარიბჭე გავუშვათ ერთ QPU-ზე, მეორე QPU-ზე გაზომვის შედეგზე დაფუძნებით. გარდა ამისა, შეცდომების შემცირებული კონტროლის ნაკადი აძლიერებს კუბიტების კავშირს და აპარატურის ინსტრუქციების კომპლექტს, რითაც ზრდის ჩვენი კვანტური კომპიუტერების მრავალფეროვნებას. ჩვენი ნაშრომი აჩვენებს, რომ ჩვენ შეგვიძლია რამდენიმე კვანტური პროცესორი გამოვიყენოთ როგორც ერთი, შეცდომების შემცირებული დინამიკური წრედებით, რომლებიც მართავს რეალურ დროში კლასიკური ბმულით. 1 მთავარი კვანტური კომპიუტერები ამუშავებენ კვანტურ ბიტებში დაშიფრულ ინფორმაციას უნიტარული ოპერაციების მეშვეობით. თუმცა, კვანტური კომპიუტერები ხმაურიანია და დიდი მასშტაბის არქიტექტურების უმეტესობა განლაგებულია ფიზიკური კუბიტები პლანარულ ბადეში. მიუხედავად ამისა, შეცდომების შემცირების მქონე ამჟამინდელი პროცესორები უკვე შეუძლიათ სიმულაცია მოახდინონ აპარატურულ-მშობლიური ისინგის მოდელები 127 კუბიტით და გაზომონ ობსერვაბლები იმ მასშტაბით, სადაც კლასიკური კომპიუტერებით ძალადობრივი მიდგომები იწყებენ სირთულეებს . კვანტური კომპიუტერების სასარგებლოობა დამოკიდებულია შემდგომ მასშტაბურობაზე და მათი შეზღუდული კუბიტური კავშირის გადალახვაზე. მოდულური მიდგომა მნიშვნელოვანია მიმდინარე ხმაურიანი კვანტური პროცესორების მასშტაბურობისთვის და შეცდომების ტოლერანტობისთვის აუცილებელი ფიზიკური კუბიტების დიდი რაოდენობის მისაღწევად . ჩარჩოში მოქცეული იონური და ნეიტრალური ატომების არქიტექტურებს შეუძლიათ მიაღწიონ მოდულარობას კუბიტების ფიზიკური ტრანსპორტირებით , . უახლოეს მომავალში, სუპერგამტარ კუბიტებში მოდულარობა მიიღწევა მოკლე დისტანციური ინტერკონექტებით, რომლებიც აკავშირებენ მიმდებარე ჩიპებს , . 1 2 3 4 5 6 7 8 საშუალო პერსპექტივაში, მიკროტალღურ რეჟიმში მოქმედი გრძელვადიანი კარიბჭეები შეიძლება განხორციელდეს გრძელი კონვენციური კაბელებით , , . ეს შესაძლებელს გახდის არა-პლანარული კუბიტური კავშირის, რომელიც შესაფერისია ეფექტური შეცდომების გამოსწორებისთვის . გრძელვადიანი ალტერნატივა არის დისტანციური QPU-ების ოპტიკური ბმულით ჩახლართვა, მიკროტალღურიდან ოპტიკურ ტრანსდუქციაზე დაყრდნობით , რაც, ჩვენი ცოდნით, ჯერ არ არის ნაჩვენები. გარდა ამისა, დინამიური წრედები აფართოებს კვანტური კომპიუტერის ოპერაციების კომპლექტს, შუა-წრედული გაზომვების (MCMs) განხორციელებით და კლასიკურად კარიბჭის კონტროლით კუბიტების კოჰერენტობის დროის ფარგლებში. ისინი აძლიერებენ ალგორითმულ ხარისხს და კუბიტების 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, მოდულარული არქიტექტურის გრძელვადიანი ურთიერთქმედებების განსახორციელებლად. ჩვენ ვაკავშირებთ კუბიტებს თვითნებურ ადგილებში და ვქმნით ჩახლართულობის სტატისტიკას კვაზი-ალბათური დაშლის (QPD) მეშვეობით , , . ჩვენ ვადარებთ მხოლოდ ლოკალური ოპერაციების (LO) სქემას ერთს, რომელიც გამდიდრებულია კლასიკური კომუნიკაციით (LOCC) . LO სქემა, რომელიც ნაჩვენებია ორ კუბიტზე , მოითხოვს მრავალი კვანტური წრედის გაშვებას მხოლოდ ლოკალური ოპერაციებით. პირიქით, LOCC-ის განსახორციელებლად, ჩვენ ვიყენებთ ვირტუალურ ბელ-წყვილებს ტელეპორტაციის წრედში, რათა შევქმნათ ორ-კუბიტიანი კარიბჭეები , . კვანტურ აპარატურაზე იშვიათი და პლანარული კავშირით, თვითნებურ კუბიტებს შორის ბელ-წყვილის შექმნა მოითხოვს გრძელვადიან კონტროლ-NOT (CNOT) კარიბჭეს. ამ კარიბჭეების თავიდან ასაცილებლად, ჩვენ ვიყენებთ QPD-ს ლოკალურ ოპერაციებზე, რაც იწვევს გაჭრილ ბელ-წყვილებს, რომლებსაც ტელეპორტაცია იყენებს. LO-ს არ სჭირდება კლასიკური ბმული და ამრიგად უფრო მარტივია განსახორციელებლად, ვიდრე LOCC. თუმცა, რადგან LOCC მოითხოვს მხოლოდ ერთ პარამეტრულ შაბლონ წრედს, ის უფრო ეფექტურია შედგენისთვის, ვიდრე LO და მისი QPD-ის ღირებულება უფრო დაბალია, ვიდრე LO სქემის ღირებულება. 15 16 17 16 17 18 19 20 ჩვენი ნაშრომი შეიცავს ოთხ ძირითად წვლილს. პირველ რიგში, ჩვენ წარმოგიდგენთ კვანტურ წრედებს და QPD-ს, რათა შევქმნათ მრავალი გაჭრილი ბელ-წყვილი, რათა განვახორციელოთ ვირტუალური კარიბჭეები ref. -ში. მეორე, ჩვენ თრგუნავთ და ვამცირებთ შეცდომებს, რომლებიც წარმოიქმნება დინამიური წრედების კლასიკური კონტროლის აპარატურის შეფერხების შედეგად დინამიური დათრგუნვისა და ნულოვანი ხმაურის ექსტრაპოლაციის კომბინაციით . მესამე, ჩვენ ვიყენებთ ამ მეთოდებს, რათა დავაპროექტოთ პერიოდული საზღვრის პირობები 103-კვანძიან გრაფზე. მეოთხე, ჩვენ ვამტკიცებთ რეალურ დროში კლასიკურ კავშირს ორ ცალკეულ QPU-ს შორის, რითაც ვამტკიცებთ, რომ დისტრიბუციული QPU-ების სისტემა შეიძლება იმართებოდეს როგორც ერთი, კლასიკური ბმულით . დინამიურ წრედებთან ერთად, ეს გვაძლევს საშუალებას, ორივე ჩიპი გამოვიყენოთ როგორც ერთი კვანტური კომპიუტერი, რასაც ჩვენ ვანიშნებთ პერიოდული გრაფის მდგომარეობის შექმნით, რომელიც მოიცავს ორივე მოწყობილობას 142 კუბიტზე. განვიხილავთ გზას გრძელვადიანი კარიბჭეების შესაქმნელად და მოგვცემთ ჩვენს დასკვნას. 17 21 22 23 წრედის გაჭრა ჩვენ ვუშვებთ დიდ კვანტურ წრედებს, რომლებიც შეიძლება პირდაპირ არ იყოს შესრულებადი ჩვენს აპარატურაზე კუბიტების რაოდენობის ან კავშირის შეზღუდვების გამო, კარიბჭეების გაჭრით. წრედის გაჭრა რთულ წრედს შლის ქვემოწრედებად, რომლებიც შეიძლება ინდივიდუალურად შესრულდეს , , , , , . თუმცა, ჩვენ უნდა გავუშვათ წრედების გაზრდილი რაოდენობა, რომელსაც ჩვენ ვუწოდებთ ნიმუშის ჭარბს. ამ ქვემოწრედებიდან მიღებული შედეგები შემდეგ კლასიკურად გაერთიანდება ორიგინალური წრედის შედეგის მისაღებად ( ). 15 16 17 24 25 26 მეთოდები რადგან ჩვენი ნაშრომის მთავარი წვლილიდან ერთ-ერთი არის ვირტუალური კარიბჭეების განხორციელება LOCC-ით, ჩვენ ვაჩვენებთ, თუ როგორ უნდა შეიქმნას საჭირო გაჭრილი ბელ-წყვილები ლოკალური ოპერაციებით. აქ, მრავალი გაჭრილი ბელ-წყვილი იქმნება პარამეტრული კვანტური წრედების საშუალებით, რომელსაც ჩვენ ვუწოდებთ გაჭრილი ბელ-წყვილის ქარხანას (ნახ. ). ერთდროულად მრავალი წყვილის გაჭრა მოითხოვს დაბალ ნიმუშის ჭარბს . რადგან გაჭრილი ბელ-წყვილის ქარხანა ქმნის ორ დისკრეტულ კვანტურ წრედს, ჩვენ თითოეულ ქვემოწრედს ვათავსებთ კუბიტებთან ახლოს, რომლებსაც აქვთ გრძელვადიანი კარიბჭეები. მიღებული რესურსი შემდეგ მოიხმარება ტელეპორტაციის წრედში. მაგალითად, ნახ. -ში, გაჭრილი ბელ-წყვილები გამოიყენება CNOT კარიბჭეების შესაქმნელად კუბიტების წყვილებზე (0, 1) და (2, 3) (იხ. განყოფილება „ “). 1b,c 17 1b გაჭრილი ბელ-წყვილის ქარხნები , IBM Quantum System Two არქიტექტურის გამოსახულება. აქ, ორი 127-კუბიტიანი Eagle QPU დაკავშირებულია რეალურ დროში კლასიკური ბმულით. თითოეულ QPU-ს აკონტროლებს მისი ელექტრონიკა თავის თაროში. ჩვენ მჭიდროდ ვახდენთ ორივე თაროს სინქრონიზაციას, რათა ორივე QPU გამოვიყენოთ როგორც ერთი. , შაბლონი კვანტური წრედი, რომელიც განახორციელებს ვირტუალურ CNOT კარიბჭეებს კუბიტების წყვილებზე ( 0, 1) და ( 2, 3) LOCC-ის გამოყენებით, გაჭრილი ბელ-წყვილების გამოყენებით ტელეპორტაციის წრედში. მეწამული ორმაგი ხაზები შეესაბამება რეალურ დროში კლასიკურ ბმულს. , გაჭრილი ბელ-წყვილის ქარხნები 2( ) ორი ერთდროულად გაჭრილი ბელ-წყვილისთვის. QPD-ს აქვს სულ 27 განსხვავებული პარამეტრული 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 , რომელიც სცილდება მისი ფიზიკური კავშირის შეზღუდვებს (იხ. განყოფილება „ “). აქ, აქვს ∣ ∣ = 103 კვანძი და საჭიროებს ოთხ გრძელვადიან კიდეს lr = {(1, 95), (2, 98), (6, 102), (7, 97)} Eagle პროცესორის ზედა და ქვედა კუბიტებს შორის (ნახ. ). ჩვენ გავზომავთ კვანძის სტაბილიზატორებს თითოეულ კვანძში ∈ და კიდის სტაბილიზატორებს, რომლებიც წარმოიქმნება ნამრავლით თითოეულ კიდეზე ( , ) ∈ . ამ სტაბილიზატორებიდან, ჩვენ ავაშენებთ ჩახლართულობის მოწმეს , რომელიც უარყოფითია, თუ არსებობს ორმხრივი ჩახლართულობა კიდეზე ( , ) ∈ (ref. ) (იხ. განყოფილება „ “). ჩვენ ფოკუსირდებით ორმხრივ ჩახლართულობაზე, რადგან ეს არის ის რესურსი, რომლის აღდგენასაც ჩვენ ვცდილობთ ვირტუალური კარიბჭეებით. ორზე მეტი მხარის ჩახლართულობის მოწმეების გაზომვა გაზომავს მხოლოდ არავირტუალური კარიბჭეების და გაზომვების ხარისხს, 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 დაკეცილია მილისებურ ფორმაში კიდეების (1, 95), (2, 98), (6, 102) და (7, 97) მიერ, რომლებიც ხაზგასმულია ლურჯად. ჩვენ ვჭრით ამ კიდეებს. , კვანძის სტაბილიზატორები (ზედა) და მოწმეები , (ქვედა), 1 სტანდარტული გადახრით კვანძებისთვის და კიდეებისთვის, რომლებიც ახლოსაა გრძელვადიან კიდეებთან. ვერტიკალური წყვეტილი ხაზები აჯგუფებენ სტაბილიზატორებსა და მოწმეებს მათი მანძილის მიხედვით გაჭრილ კიდეებამდე. , სტაბილიზატორის შეცდომების კუმულაციური განაწილების ფუნქცია. ვარსკვლავები მიუთითებენ კვანძის სტაბილიზატორებს , რომლებსაც აქვთ გაშვებული კიდე, რომელიც განხორციელებულია გრძელვადიანი კარიბჭით. ჩამოშლილი კიდეების ბენჩმარკში (წითელი წყვეტილი ხაზი), გრძელვადიანი კარიბჭეები არ არის განხორციელებული და ვარსკვლავით მითითებულ სტაბილიზატორებს, შესაბამისად, აქვთ ერთეულის შეცდომა. ნაცრისფერი ზონა არის ალბათობის მასა, რომელიც შეესაბამება კვანძის სტაბილიზატორებს, რომლებიც დაზარალდნენ გაჭრებით. – , ორგანზომილებიან განლაგებებში, მწვანე კვანძები დუბლირებენ კვანძებს 95, 98, 102 და 97, რათა აჩვენონ გაჭრილი კიდეები. ლურჯი კვანძები -ში არის კუბიტის რესურსები გაჭრილი ბელ-წყვილების შესაქმნელად. კვანძის ფერი არის აბსოლუტური შეცდომა ∣ − 1∣ გაზომილი სტაბილიზატორის, როგორც მითითებულია ფერის ზოლით. კიდე შავია, თუ ჩახლართულობის სტატისტიკა გამოვლენილია 99% ნდობის დონეზე და იასამნისფერი, თუ არა. -ში, გრძელვადიანი კარიბჭეები ხორციელდება SWAP კარიბჭეებით. -ში, იგივე კარიბჭეები ხორციელდება LOCC-ით. -ში, ისინი არ არის განხორციელებული. ა ბ Sj გ Sj დ ვ ე i Si დ ე ვ ჩვენ ვამზადებთ | ⟩ სამი განსხვავებული მეთოდის გამოყენებით. აპარატურულ-მშობლიური კიდეები ყოველთვის ხორციელდება CNOT კარიბჭეებით, მაგრამ პერიოდული საზღვრის პირობები ხორციელდება (1) SWAP კარიბჭეებით, (2) LOCC-ით და (3) LO-თი, რათა დააკავშიროს კუბიტები მთელ ბადეზე. LOCC-სა და LO-ს შორის მთავარი განსხვავება არის არხის შემდგომი ოპერაცია, რომელიც შედგება ერთ-კუბიტიანი 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 მის საფუძველზე მოქმედება ხდება რეალურ დროში საკონტროლო აპარატურით, დამატებითი ფიქსირებული შეფერხების ფასად. ჩვენ ვამცირებთ და თრგუნავთ შეცდომებს, რომლებიც წარმოიქმნება ამ შეფერხებისგან, ნულოვანი ხმაურის ექსტრაპოლაციით და დაშორებული დინამიური დათრგუნვით , (იხ. განყოფილება „ “). G n n n X Z 22 21 28 შეცდომების შემცირებული კვანტური წრედის გადართვის ინსტრუქციები ჩვენ ვახდენთ SWAP, LOCC და LO განხორციელებების ბენჩმარკს | ⟩ აპარატურულ-მშობლიური გრაფის მდგომარეობით ′ = ( , ′), რომელიც მიიღება გრძელვადიანი კარიბჭეების მოხსნით, ანუ ′ = lr. წრედი, რომელიც ამზადებს | ′⟩ ამრიგად, მოითხოვს მხოლოდ 112 CNOT კარიბჭეს, რომლებიც განლაგებულია სამ ფენად, Eagle პროცესორის მძიმე-ექვსკუთხა ტოპოლოგიის შესაბამისად. ეს წრედი მოგვცემს დიდ შეცდომებს | ⟩ კვანძის და კიდის სტაბილიზატორების გაზომვისას გაჭრილი კვანძებისთვის, რადგან ის შექმნილია | ′⟩ განსახორციელებლად. ამ აპარატურულ-მშობლიურ ბენჩმარკს ვუწოდებთ ჩამოშლილი კიდეების ბენჩმარკს. SWAP-ზე დაფუძნებული წრედი მოითხოვს დამატებით 262 CNOT კარიბჭეს გრძელვადიანი კიდეების lr შესაქმნელად, რაც დრამატულად ამცირებს გაზომილი სტაბილიზატორების მნიშვნელობას (ნახ. ). პირიქით, LOCC და LO განხორციელებას კიდეებისთვის G G V E E EE G G G E 2b–d
