```html Waandishi: Almudena Carrera Vazquez Caroline Tornow Diego Ristè Stefan Woerner Maika Takita Daniel J. Egger Muhtasari Kompyuta za Quantum huchakata habari kwa kutumia sheria za mechanics ya quantum. Vifaa vya sasa vya quantum ni vya kelele, vinaweza kuhifadhi habari kwa muda mfupi tu na vimezuiliwa kwa bits chache za quantum, yaani, qubits, kwa kawaida hupangwa katika muunganisho wa ndege . Hata hivyo, maombi mengi ya kompyuta za quantum yanahitaji muunganisho zaidi kuliko gridi ya ndege inayotolewa na vifaa kwenye qubits zaidi kuliko inavyopatikana kwenye kitengo kimoja cha usindikaji cha quantum (QPU). Jumuiya inatumaiwa kushughulikia mapungufu haya kwa kuunganisha QPU kwa kutumia mawasiliano ya kawaida, ambayo bado haijathibitishwa kwa majaribio. Hapa tunatekeleza kwa majaribio mizunguko mbinu ya makosa na kukata mzunguko ili kuunda majimbo ya quantum yanayohitaji muunganisho wa mara kwa mara kwa kutumia hadi qubits 142 zinazojumuisha QPU mbili zenye qubits 127 kila moja zilizounganishwa kwa wakati halisi na kiungo cha kawaida. Katika mzunguko mbinu, milango ya quantum inaweza kudhibitiwa na kawaida kulingana na matokeo ya vipimo vya katikati ya mzunguko ndani ya muda wa kukimbia, yaani, ndani ya sehemu ya muda wa ushirikiano wa qubits. Kiungo chetu cha kawaida cha wakati halisi huturuhusu kutumia lango la quantum kwenye QPU moja kulingana na matokeo ya kipimo kwenye QPU nyingine. Zaidi ya hayo, udhibiti wa makosa ya mbinu huongeza muunganisho wa qubit na seti ya maagizo ya vifaa hivyo kuongeza utofauti wa kompyuta zetu za quantum. Kazi yetu inaonyesha kuwa tunaweza kutumia vipande vingi vya quantum kama kimoja na mizunguko mbinu iliyosahihishwa ya makosa iliyowezeshwa na kiungo cha kawaida cha wakati halisi. 1 Kuu Kompyuta za Quantum huchakata habari iliyoandikwa katika bits za quantum na shughuli za umoja. Hata hivyo, kompyuta za quantum ni za kelele na usanifu mwingi wa kiwango kikubwa hupanga qubits za kimwili katika gridi ya ndege. Walakini, wasindikaji wa sasa na marekebisho ya makosa wanaweza tayari kuiga miundo ya Ising asili ya vifaa yenye qubits 127 na kupima sifa kwa kiwango ambacho mbinu za nguvu za kompyuta za kawaida huanza kukabiliwa na ugumu . Umuhimu wa kompyuta za quantum unategemea kuongezeka zaidi na kushinda muunganisho wao mdogo wa qubit. Njia ya msimu ni muhimu kwa kuongeza wasindikaji wa sasa wa quantum wenye kelele na kwa kufikia idadi kubwa ya qubits za kimwili zinazohitajika kwa uvumilivu wa makosa . Miundo ya ion na atomi zisizo na waya inaweza kufikia uundaji kwa kusafirisha qubits za kimwili , . Katika muda mfupi, uundaji katika qubits za superconducting unafikiwa na viunganishi vya masafa mafupi vinavyounganisha chips za karibu , . 1 2 3 4 5 6 7 8 Katika kipindi cha kati, milango ya masafa marefu inayofanya kazi katika eneo la microwave inaweza kufanywa kupitia nyaya ndefu za kawaida , , . Hii ingewezesha muunganisho wa qubit usio na ndege unaofaa kwa urekebishaji mzuri wa makosa . Njia mbadala ya muda mrefu ni kuunganisha QPU za mbali na kiungo cha macho kinachotegemea ubadilishaji wa microwave hadi macho , ambayo bado haijadhihirishwa, kwa ujuzi wetu. Zaidi ya hayo, mizunguko mbinu huongeza seti ya shughuli za kompyuta ya quantum kwa kufanya vipimo vya katikati ya mzunguko (MCMs) na kudhibiti lango la kawaida ndani ya muda wa ushirikiano wa qubits. Huongeza ubora wa algorithms na muunganisho wa qubit . Kama tutakavyoonyesha, mizunguko mbinu pia huwezesha uundaji kwa kuunganisha QPU kwa wakati halisi kupitia kiungo cha kawaida. 9 10 11 3 12 13 14 Tunachukua mbinu inayosaidiana inayotegemea milango pepe ili kutekeleza mwingiliano wa masafa marefu katika usanifu wa msimu. Tunaunganisha qubits katika maeneo yoyote na kuunda takwimu za kuunganishwa kupitia utengano wa nusu-uwezekano (QPD) , , . Tunalinganisha mpango wa Shughuli za Mitaa (LO) tu na moja iliyoimarishwa na Mawasiliano ya Kawaida (LOCC) . Mpango wa LO, ulioonyeshwa katika mpangilio wa qubit mbili , unahitaji kutekeleza mizunguko mingi ya quantum na shughuli za ndani tu. Kwa upande, kutekeleza LOCC, tunatumia jozi za Bell pepe katika mzunguko wa teleportation ili kuunda milango ya qubit mbili , . Kwenye vifaa vya quantum vilivyo na muunganisho mwembamba na wa ndege, kuunda jozi ya Bell kati ya qubits za kiholela kunahitaji lango la masafa marefu la controlled-NOT (CNOT). Ili kuepuka milango hii, tunatumia QPD juu ya shughuli za ndani zinazosababisha jozi za Bell zilizokatwa ambazo teleportation hutumia. LO haihitaji kiungo cha kawaida na kwa hivyo ni rahisi kutekeleza kuliko LOCC. Hata hivyo, kwani LOCC inahitaji tu mzunguko mmoja wa kiolezo uliowekwa vigezo, ni bora zaidi kukusanya kuliko LO na gharama ya QPD yake ni ya chini kuliko gharama ya mpango wa LO. 15 16 17 16 17 18 19 20 Kazi yetu inatoa michango minne muhimu. Kwanza, tunawasilisha mizunguko ya quantum na QPD ili kuunda jozi nyingi za Bell zilizokatwa ili kutekeleza milango pepe katika ref. . Pili, tunapunguza na kurekebisha makosa yanayotokana na ucheleweshaji wa vifaa vya kawaida vya udhibiti katika mizunguko mbinu kwa mchanganyiko wa utenganishaji mbinu na uondoaji wa kelele sifuri . Tatu, tunatumia mbinu hizi kuunda hali ya mipaka ya mara kwa mara kwenye hali ya grafu yenye nodi 103. Nne, tunadhihirisha muunganisho wa kawaida wa wakati halisi kati ya QPU mbili tofauti hivyo kuonyesha kuwa mfumo wa QPU zilizosambazwa unaweza kuendeshwa kama moja kupitia kiungo cha kawaida . Pamoja na mizunguko mbinu, hii huturuhusu kuendesha chips zote mbili kama kompyuta moja ya quantum, ambayo tunaonyesha kwa kuunda hali ya grafu ya mara kwa mara ambayo inajumuisha vifaa vyote viwili kwenye qubits 142. Tunajadili njia ya mbele ya kuunda milango ya masafa marefu na kutoa hitimisho letu. 17 21 22 23 Kukata Mzunguko Tunafanya mizunguko mirefu ya quantum ambayo inaweza isitekelezwe moja kwa moja kwenye vifaa vyetu kwa sababu ya mapungufu katika idadi ya qubit au muunganisho kwa kukata milango. Kukata mzunguko hugawanya mzunguko tata katika mizunguko midogo ambayo inaweza kutekelezwa kibinafsi , , , , , . Hata hivyo, lazima tufanye idadi kubwa ya mizunguko, ambayo tunaiita upakiaji wa sampuli. Matokeo kutoka kwa mizunguko hii midogo kisha hurejeshwa pamoja na kawaida ili kutoa matokeo ya mzunguko wa awali ( ). 15 16 17 24 25 26 Njia Mojawapo ya michango mikuu ya kazi yetu ni kutekeleza milango pepe na LOCC, tunaonyesha jinsi ya kuunda jozi za Bell zilizokatwa zinazohitajika na shughuli za ndani. Hapa, jozi nyingi za Bell zilizokatwa huundwa na mizunguko ya quantum yenye vigezo, ambayo tunaiita kiwanda cha jozi za Bell zilizokatwa (Mchoro. ). Kukata jozi nyingi kwa wakati mmoja kunahitaji upakiaji mdogo wa sampuli . Kwa kuwa kiwanda cha jozi za Bell kilichokatwa huunda mizunguko miwili ya quantum tofauti, tunaweka kila mzunguko mdogo karibu na qubits ambazo zina milango ya masafa marefu. Rasilimali inayotokana basi hutumiwa katika mzunguko wa teleportation. Kwa mfano, katika Mchoro. , jozi za Bell zilizokatwa hutumiwa kuunda milango ya CNOT kwenye jozi za qubit (0, 1) na (2, 3) (tazama sehemu ya ‘ ’). 1b,c 17 1b Viwanda vya Jozi za Bell Zilizokatwa , Onyesho la usanifu wa Mfumo Mbili wa IBM Quantum. Hapa, QPU mbili za Eagle zenye qubits 127 zimeunganishwa na kiungo cha kawaida cha wakati halisi. Kila QPU inadhibitiwa na vifaa vyake katika rack yake. Tunalinganisha kwa karibu racks zote mbili ili kuendesha QPU zote mbili kama moja. , Kiolezo cha mzunguko wa quantum ili kutekeleza milango pepe ya CNOT kwenye jozi za qubit ( 0, 1) na ( 2, 3) na LOCC kwa kutumia jozi za Bell zilizokatwa katika mzunguko wa teleportation. Njia mbili za zambarau zinahusiana na kiungo cha kawaida cha wakati halisi. , Viwanda vya Jozi za Bell Zilizokatwa 2( ) kwa jozi mbili za Bell zilizokatwa kwa wakati mmoja. QPD ina jumla ya seti 27 za vigezo . Hapa, . a b q q q q c C θ i θ i Hali ya mipaka ya mara kwa mara Tunatengeneza hali ya grafu | ⟩ na hali ya mipaka ya mara kwa mara kwenye ibm_kyiv, processor ya Eagle , kupita mipaka iliyowekwa na muunganisho wake wa kimwili (tazama sehemu ya ‘ ’). Hapa, ina ∣ ∣ = 103 nodi na inahitaji milango minne ya masafa marefu lr = {(1, 95), (2, 98), (6, 102), (7, 97)} kati ya qubits za juu na za chini za processor ya Eagle (Mch. ). Tunapima vimaneneshi vya nodi kwa kila nodi ∈ na vimaneneshi vya kingo vilivyoundwa na bidhaa kwenye kila kingo ( , ) ∈ . Kutoka kwa vimaneneshi hivi, tunajenga shahidi wa kuunganishwa , ambayo ni hasi ikiwa kuna kuunganishwa kwa pande mbili kwenye kingo ( , ) ∈ (ref. ) (tazama sehemu ya ‘ ’). Tunazingatia kuunganishwa kwa pande mbili kwa sababu hii ndiyo rasilimali tunayotaka kuunda tena na milango pepe. Kupima shahidi wa kuunganishwa kati ya pande zaidi ya mbili kutapima tu ubora wa milango isiyo pepe na vipimo vinavyofanya athari ya milango pepe kuwa ya wazi zaidi. G 1 Hali za Grafu G V E 2a Si i V SiSj i j E i j E 27 Shahidi wa Kuunganishwa , Grafu nzito-hexagonal hukunjwa yenyewe katika fomu ya bomba na kingo (1, 95), (2, 98), (6, 102) na (7, 97) zilizoangaziwa kwa bluu. Tunakata kingo hizi. , Vimaneneshi vya nodi (juu) na shahidi , (chini), na kupotoka kwa kiwango cha 1 kwa nodi na kingo zilizo karibu na kingo za masafa marefu. Mistari ya dashi ya wima huunganisha vimaneneshi na shahidi kulingana na umbali wao kutoka kwa kingo zilizokatwa. , Kazi ya usambazaji wa jumla ya makosa ya vimaneneshi. Nyota zinaonyesha vimaneneshi vya nodi ambavyo vina kingo iliyotekelezwa na lango la masafa marefu. Katika kigezo cha kingo kilichoachwa (mstari mwekundu uliokatwa), milango ya masafa marefu haitekelezwi na vimaneneshi vilivyoonyeshwa na nyota kwa hivyo vina makosa ya umoja. Eneo la kijivu ni wingi wa uwezekano unaolingana na vimaneneshi vya nodi vilivyoathiriwa na mikato. – , Katika mipangilio ya pande mbili, nodi za kijani huiga nodi 95, 98, 102 na 97 ili kuonyesha kingo zilizokatwa. Nodi za bluu katika ni rasilimali za qubit kuunda jozi za Bell zilizokatwa. Rangi ya nodi ni kosa kamili ∣ − 1∣ ya vimaneneshi vilivyopimwa, kama inavyoonyeshwa na upau wa rangi. Kwenye kingo, rangi nyeusi huonyesha takwimu za kuunganishwa zinagunduliwa kwa kiwango cha uhakika cha 99% na zambarau ikiwa sivyo. Katika , milango ya masafa marefu hutekelezwa na milango ya SWAP. Katika , milango sawa hutekelezwa na LOCC. Katika , haitekelezwi kabisa. a b Sj c Sj d f e i Si d e f Tunatayarisha | ⟩ kwa kutumia mbinu tatu tofauti. Milango ya asili ya vifaa hutekelezwa kila wakati na milango ya CNOT lakini hali ya mipaka ya mara kwa mara hutekelezwa na (1) milango ya SWAP, (2) LOCC na (3) LO ili kuunganisha qubits kote kwenye gridi. Tofauti kuu kati ya LOCC na LO ni operesheni ya malisho ya mbele inayojumuisha milango ya qubit moja kulingana na matokeo ya vipimo 2 , ambapo ni idadi ya mikato. Kila moja ya kesi 22 huanzisha mchanganyiko wa kipekee wa milango ya na/au kwenye qubits zinazofaa. Kupata matokeo ya kipimo, kuamua kesi inayolingana na kutenda kulingana na hilo hufanywa kwa wakati halisi na vifaa vya udhibiti, kwa gharama ya ucheleweshaji uliowekwa. Tunarekebisha na kupunguza makosa yanayotokana na ucheleweshaji huu na uondoaji wa kelele sifuri na utenganishaji wa kucheleweshwa kwa madaraja , (tazama sehemu ya ‘ ’). G n n n X Z 22 21 28 Maagizo ya Kubadilisha Mzunguko wa Quantum Yaliyorekebishwa kwa Makosa Tunatathmini utekelezaji wa SWAP, LOCC na LO wa | ⟩ na hali ya grafu asili ya vifaa kwenye ′=( , ′) iliyopatikana kwa kuondoa milango ya masafa marefu, yaani, ′= lr. Mzunguko unaotayarisha | ′⟩ kwa hivyo unahitaji milango 112 tu ya CNOT iliyopangwa katika tabaka tatu kulingana na topografia nzito-hexagonal ya processor ya Eagle. Mzunguko huu utaripoti makosa makubwa wakati wa kupima vimaneneshi vya nodi na kingo za | ⟩ kwa nodi kwenye lango lililokatwa kwa sababu umeundwa kutekeleza | ′⟩. Tunarejelea hili kama kigezo cha asili cha vifaa kama kigezo cha kingo kilichoachwa. Mzunguko wa msingi wa SWAP unahitaji milango 262 ya ziada ya CNOT ili kuunda kingo za masafa marefu lr, ambayo inapunguza sana thamani ya vimaneneshi vilivyopimwa (Mch. ). Kwa upande, utekelezaji wa LOCC na LO wa kingo katika lr hauna haja ya milango ya SWAP. Makosa ya vimaneneshi vyao vya nodi na kingo kwa nodi ambazo hazihusiani na kata hufuata kwa karibu kigezo cha kingo kilichoachwa (Mch. ). Kinyume chake, vimaneneshi vinavyohusisha lango pepe vina kosa la chini kuliko kigezo cha kingo kilichoachwa na utekelezaji wa SWAP (Mch. , alama za nyota). Kama kipimo cha ubora cha jumla, kwanza tunaripoti jumla ya makosa kamili kwenye vimaneneshi vya nodi, yaani, ∑ ∈ ∣ − 1∣ (Jedwali la Nyongeza la Data ). Upakiaji mkubwa wa SWAP unawajibika kwa kosa kamili la jumla la 44.3. Kosa la 13.1 kwenye kigezo cha kingo kilichoachwa linatawaliwa na nodi nane kwenye mikato minne (Mch. , alama za nyota). Kwa upande mwingine, makosa ya LOCC na LO yameathiriwa na MCMs. Tunahusisha kosa la ziada la 1.9 la LOCC juu ya LO na ucheleweshaji na milango ya CNOT katika mzunguko wa teleportation na jozi za Bell zilizokatwa. Katika matokeo yanayotegemea SWAP, haigundui kuunganishwa kwenye kingo 35 kati ya 116 kwa kiwango cha uhakika cha 99% (Mch. ). Kwa utekelezaji wa LO na LOCC, huthibitisha takwimu za kuunganishwa kwa pande mbili kwenye kingo zote katika kwa kiwango cha uhakika cha 99% (Mch. ). Vipimo hivi vinaonyesha kuwa milango pepe ya masafa marefu huzalisha vimaneneshi na makosa madogo kuliko utengano wao kuwa SWAPs. Zaidi ya hayo, huweka utofauti chini ya kutosha kuthibitisha takwimu za kuunganishwa. 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 Kuendesha QPU mbili kama moja Sasa tunaunganisha QPU mbili za Eagle zenye qubits 127 kila moja kuwa QPU moja kupitia muunganisho wa kawaida wa wakati halisi. Kuendesha vifaa kama processor moja kubwa, iliyo na usawa, kunajumuisha kutekeleza mizunguko ya quantum inayojumuisha rejista kubwa ya qubit. Kando na milango ya umoja na vipimo vinavyoendeshwa kwa pamoja kwenye QPU iliyounganishwa, tunatumia mizunguko mbinu kufanya milango inayofanya kazi kwenye qubits kwenye vifaa vyote viwili. Hii inawezeshwa na usawazishaji mkali na mawasiliano ya kawaida ya haraka kati ya ala zilizotenganishwa kimwili zinazohitajika kukusanya matokeo ya vipimo na kuamua mtiririko wa udhibiti katika mfumo mzima . 29 Tunajaribu muunganisho huu wa kawaida wa wakati halisi kwa kuunda hali ya grafu kwenye qubits 134 iliyojengwa kutoka kwa pete nzito-hexagonal zinazopita kwenye QPU zote mbili (Mch. ). Pete hizi zilichaguliwa kwa kuondoa qubits zilizoathiriwa na mifumo ya viwango viwili na masuala ya usomaji ili kuhakikisha hali ya grafu ya ubora wa juu. Grafu hii huunda pete katika vipimo vitatu na inahitaji milango minne ya masafa marefu ambayo tunatekeleza na LO na LOCC. Kama hapo awali, itifaki ya LOCC kwa hivyo inahitaji qubits mbili za ziada kwa kila lango lililokatwa kwa jozi za Bell zilizokatwa. Kama katika sehemu iliyotangulia, tunathibitisha matokeo yetu kwa grafu ambayo haitekelezi kingo zinazojumuisha QPU zote mbili. Kwa kuwa hakuna kiungo cha quantum kati ya vifaa viwili, kigezo na milango ya SWAP haiwezekani. Kila kingo huonyesha takwimu za kuunganishwa kwa pande mbili tunapotekeleza grafu na LO na LOCC kwa kiwango cha uhakika cha 99%. Zaidi ya hayo, vimaneneshi vya LO na LOCC vina ubora sawa na kigezo cha kingo kilichoachwa kwa nodi ambazo hazijaathiriwa na lango la masafa marefu (Mch. ). Vimaneneshi vilivyoathiriwa na milango ya masafa marefu vina upunguzaji mkubwa wa kosa ikilinganishwa na kigezo cha kingo kilichoachwa. Jumla ya makosa kamili kwenye vimaneneshi vya nodi ∑ ∈ ∣ − 1∣, ni 21.0, 19.2 na 12.6 kwa kigezo cha kingo kilichoachwa, LOCC na LO, mtawalia. Kama hapo awali, tunahusisha makosa ya ziada ya 6. 3 3c i V Si
