```html Waandishi: Almudena Carrera Vazquez Caroline Tornow Diego Ristè Stefan Woerner Maika Takita Daniel J. Egger Muhtasari Kompyuta za Quantum huchakata habari kwa sheria za mekanika ya quantum. Vifaa vya sasa vya quantum vina kelele, vinaweza tu kuhifadhi habari kwa muda mfupi na vimezuiliwa kwa qubits chache, yaani, qubits, kwa kawaida hupangwa katika muunganisho wa ndege . Hata hivyo, programu nyingi za kompyuta za quantum zinahitaji muunganisho zaidi kuliko gridi ya ndege inayotolewa na vifaa kwenye qubits zaidi kuliko zinazopatikana kwenye kitengo kimoja cha usindikaji wa quantum (QPU). Jamii inatumai kutatua mapungufu haya kwa kuunganisha QPU kwa kutumia mawasiliano ya kawaida, ambayo bado haijathibitishwa kwa majaribio. Hapa tunatekeleza kwa majaribio saketi za kiwango cha juu zilizo na makosa na kukata saketi ili kuunda hali za quantum zinazohitaji muunganisho wa mara kwa mara kwa kutumia hadi qubits 142 zinazoenea juu ya QPUs mbili na qubits 127 kila moja zilizounganishwa kwa wakati halisi na kiungo cha kawaida. Katika saketi ya nguvu, milango ya quantum inaweza kudhibitiwa kwa kawaida na matokeo ya vipimo vya katikati ya saketi ndani ya muda wa kukimbia, yaani, ndani ya sehemu ya muda wa ushirikiano wa qubits. Kiungo chetu cha kawaida cha wakati halisi kinatuwezesha kutumia lango la quantum kwenye QPU moja kulingana na matokeo ya kipimo kwenye QPU nyingine. Zaidi ya hayo, udhibiti wa makosa ulioboreshwa huongeza muunganisho wa qubit na seti ya maagizo ya vifaa hivyo kuongeza ufanisi wa kompyuta zetu za quantum. Kazi yetu inaonyesha kwamba tunaweza kutumia wasindikaji kadhaa wa quantum kama moja na saketi za nguvu zilizo na makosa zilizowezeshwa na kiungo cha kawaida cha wakati halisi. 1 Kuu Kompyuta za Quantum huchakata habari iliyofichwa katika bits za quantum na shughuli za umoja. Hata hivyo, kompyuta za quantum zina kelele na usanifu mwingi wa kiwango kikubwa hupanga qubits za kimwili katika gridi ya ndege. Hata hivyo, wasindikaji wa sasa na upunguzaji wa makosa wanaweza tayari kuiga mifumo ya Ising asilia ya vifaa yenye qubits 127 na kupima maelezo kwa kiwango ambapo mbinu za brute-force na kompyuta za kawaida huanza kuhangaika . Ufaafu wa kompyuta za quantum unategemea kupanuka zaidi na kushinda muunganisho wao mdogo wa qubit. Njia ya moduli ni muhimu kwa kupanua wasindikaji wa sasa wa quantum wenye kelele na kwa kufikia idadi kubwa ya qubits za kimwili zinazohitajika kwa uvumilivu wa makosa . Milango ya ioni na atomi zisizo na waya inaweza kufikia uwekaji wa moduli kwa kusafirisha qubits kimwili , . Katika muda mfupi, uwekaji wa moduli katika qubits za superconducting unafikiwa na viunganishi vya masafa mafupi vinavyounganisha chips za karibu , . 1 2 3 4 5 6 7 8 Katika muda wa kati, milango ya masafa marefu inayofanya kazi katika hali ya microwave inaweza kufanywa juu ya nyaya ndefu za kawaida , , . Hii ingewezesha muunganisho wa qubit usio na ndege unaofaa kwa urekebishaji wa makosa kwa ufanisi . Njia mbadala ya muda mrefu ni kuunganisha QPUs za mbali na kiungo cha macho kinachotumia ubadilishaji wa microwave hadi macho , ambayo bado haijadhihirishwa, kwa ujuzi wetu. Zaidi ya hayo, saketi za nguvu huongeza seti ya shughuli za kompyuta ya quantum kwa kufanya vipimo vya katikati ya saketi (MCMs) na kudhibiti milango kwa kawaida ndani ya muda wa ushirikiano wa qubits. Wanaboresha ubora wa algorithmic na muunganisho wa qubit . Kama tutakavyoonyesha, saketi za nguvu pia huwezesha uwekaji wa moduli kwa kuunganisha QPUs kwa wakati halisi kupitia kiungo cha kawaida. 9 10 11 3 12 13 14 Tunachukua njia inayosaidiana inayotegemea milango ya kawaida ili kutekeleza mwingiliano wa masafa marefu katika usanifu wa moduli. Tunaunganisha qubits katika maeneo yoyote na kuunda takwimu za ushirikiano kupitia utenganishaji wa quasil-probability (QPD) , , . Tunalinganisha mpango wa Operesheni za Mitaa (LO) pekee na moja iliyoimarishwa na Mawasiliano ya Kawaida (LOCC) . Mpango wa LO, ulioonyeshwa katika mpangilio wa qubit mbili , unahitaji kutekeleza saketi nyingi za quantum na shughuli za mitaa tu. Kwa upande mwingine, kutekeleza LOCC, tunatumia jozi za kawaida za Bell katika saketi ya teleportation ili kuunda milango ya qubit mbili , . Kwenye vifaa vya quantum na muunganisho wa nadra na wa ndege, kuunda jozi ya Bell kati ya qubits za kiholela kunahitaji lango la CNOT la masafa marefu. Ili kuepuka milango hii, tunatumia QPD juu ya shughuli za mitaa zinazosababisha jozi za Bell zilizokatwa ambazo teleportation hutumia. LO haihitaji kiungo cha kawaida na kwa hivyo ni rahisi zaidi kutekeleza kuliko LOCC. Hata hivyo, kwani LOCC inahitaji saketi moja tu ya kiolezo cha kigezo, ni ufanisi 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 saketi za quantum na QPD ili kuunda jozi nyingi za Bell zilizokatwa ili kutekeleza milango ya kawaida katika ref. . Pili, tunapunguza na kupunguza makosa yanayotokana na ucheleweshaji wa vifaa vya udhibiti wa kawaida katika saketi za nguvu kwa mchanganyiko wa kutokomeza kwa nguvu na uvumbuzi wa kelele sifuri . Tatu, tunatumia mbinu hizi kuunda hali ya mpaka wa mara kwa mara kwenye hali ya grafu ya nodi 103. Nne, tunadhihirisha muunganisho wa kawaida wa wakati halisi kati ya QPUs mbili tofauti hivyo kuonyesha kwamba mfumo wa QPUs uliosambazwa unaweza kuendeshwa kama moja kupitia kiungo cha kawaida . Pamoja na saketi za nguvu, hii inatuwezesha kuendesha chips zote mbili kama kompyuta moja ya quantum, ambayo tunaonyesha kwa kuunda hali ya grafu ya mara kwa mara inayoelezea vifaa vyote viwili kwa qubits 142. Tunajadili njia ya kusonga mbele ya kuunda milango ya masafa marefu na kutoa hitimisho letu. 17 21 22 23 Kukata Saketi Tunaendesha saketi kubwa za quantum ambazo zinaweza kutekelezwa moja kwa moja kwenye vifaa vyetu kwa sababu ya mapungufu katika idadi ya qubit au muunganisho kwa kukata milango. Kukata saketi hupeleka saketi tata kwenye subcircuits ambazo zinaweza kutekelezwa kibinafsi , , , , , . Hata hivyo, lazima tuendeshe idadi iliyoongezeka ya saketi, ambazo tunaziita kiwango cha juu cha sampuli. Matokeo kutoka kwa subcircuits hizi kisha huunganishwa tena kwa kawaida ili kutoa matokeo ya saketi asili ( ). 15 16 17 24 25 26 Mbinu Kama moja ya michango mikuu ya kazi yetu ni kutekeleza milango ya kawaida na LOCC, tunaonyesha jinsi ya kuunda jozi za Bell zilizokatwa zinazohitajika na shughuli za mitaa. Hapa, jozi nyingi za Bell zilizokatwa zinatengenezwa na saketi za quantum za kigezo, ambazo tunaziita kiwanda cha jozi cha Bell kilichokatwa (Mchoro. ). Kukata jozi nyingi kwa wakati mmoja kunahitaji kiwango cha juu cha sampuli cha chini . Kwa kuwa kiwanda cha jozi cha Bell kilichokatwa huunda saketi mbili za quantum zilizotenganishwa, tunaweka kila subcircuit karibu na qubits ambazo zina milango ya masafa marefu. Rasilimali inayotokana kisha hutumiwa katika saketi ya 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 IBM Quantum System Two. Hapa, QPUs mbili za Eagle za qubit 127 zimeunganishwa na kiungo cha kawaida cha wakati halisi. Kila QPU hudhibitiwa na vifaa vyake katika rack yake. Tunalinganisha kwa karibu racks zote mbili ili kuendesha QPUs zote kama moja. , Kiolezo cha saketi ya quantum ili kutekeleza milango ya kawaida ya CNOT kwenye jozi za qubit ( 0, 1) na ( 2, 3) na LOCC kwa kutumia jozi za Bell zilizokatwa katika saketi ya teleportation. Mistari miwili ya zambarau huashiria 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 tofauti za kigezo . Hapa, . a b q q q q c C θ i θ i Hali za Mpaka wa Mara kwa Mara Tunaunda hali ya grafu | ⟩ na hali za mpaka wa 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 chini za processor ya Eagle (Mch. ). Tunapima vithibitisho vya nodi katika kila nodi ∈ na vithibitisho vya kingo vilivyoundwa na bidhaa kwenye kila kingo ( , ) ∈ . Kutoka kwa vithibitisho hivi, tunajenga shahidi wa ushirikiano , ambao ni hasi ikiwa kuna ushirikiano wa pande mbili kwenye kingo ( , ) ∈ (ref. ) (tazama sehemu ya ' '). Tunazingatia ushirikiano wa pande mbili kwa sababu hii ndiyo rasilimali tunayotaka kuunda upya na milango ya kawaida. Kupima mashahidi wa ushirikiano kati ya pande zaidi ya mbili kutapima tu ubora wa milango isiyo ya kawaida na vipimo vinavyofanya athari za milango ya kawaida kuwa hazieleweki. G 1 Hali za Grafu G V E 2a Si i V SiSj i j E i j E 27 Shahidi wa Ushirikiano , Grafu ya hexagon nzito hukunjwa juu yake yenyewe katika umbo la mrija na kingo (1, 95), (2, 98), (6, 102) na (7, 97) zilizoangaziwa kwa bluu. Tunakata kingo hizi. , Vithibitisho vya nodi (juu) na mashahidi , (chini), na upotofu wa kawaida wa 1 kwa nodi na kingo zilizo karibu na kingo za masafa marefu. Mistari iliyokatika huunganisha vithibitisho na mashahidi kulingana na umbali wao kutoka kwa kingo zilizokatwa. , Kazi ya usambazaji wa jumla ya makosa ya vithibitisho. Nyota zinaonyesha vithibitisho vya nodi ambazo zina kingo iliyotekelezwa na lango la masafa marefu. Katika jaribio la kingo iliyoachwa (mstari mwekundu wa dash-dotted), milango ya masafa marefu haitekelezwi na vithibitisho vilivyoonyeshwa na nyota hivyo vina makosa ya umoja. Eneo la kijivu ni wingi wa uwezekano unaolingana na vithibitisho vya nodi zilizoathiriwa na mikato. – , Katika mipangilio ya pande mbili, nodi za kijani hurudia nodi 95, 98, 102 na 97 kuonyesha kingo zilizokatwa. Nodi za bluu katika ni rasilimali za qubit kuunda jozi za Bell zilizokatwa. Rangi ya nodi ni kosa kamili ∣ − 1∣ ya kithibitisho kilichopimwa, kama inavyoonyeshwa na upau wa rangi. Kwenye kingo, rangi nyeusi huashiria takwimu za ushirikiano hugunduliwa kwa kiwango cha uhakika cha 99% na zambarau ikiwa sivyo. Katika , milango ya masafa marefu inatekelezwa na milango ya SWAP. Katika , milango sawa inatekelezwa na LOCC. Katika , hazitekelezwi 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 za mpaka wa 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 kulisha mbele inayojumuisha milango ya qubit moja kulingana na matokeo 2 ya kipimo, ambapo ni idadi ya mikato. Kila moja ya kesi 22 huendesha mchanganyiko wa kipekee wa milango ya na/au kwenye qubits zinazofaa. Kupata matokeo ya kipimo, kuamua kesi inayolingana na kuchukua hatua kulingana na hilo hufanywa kwa wakati halisi na vifaa vya udhibiti, kwa gharama ya ucheleweshaji uliowekwa. Tunapunguza na kupunguza makosa yanayotokana na ucheleweshaji huu na uvumbuzi wa kelele sifuri na kutengwa kwa nguvu kwa kucheleweshwa , (tazama sehemu ya ' '). G n n n X Z 22 21 28 Maagizo ya Kubadilisha Saketi ya Quantum Iliyopunguza Makosa Tunajumuisha utendaji wa SWAP, LOCC na LO wa | ⟩ na hali ya grafu asilia ya vifaa kwenye ′ = ( , ′) iliyopatikana kwa kuondoa milango ya masafa marefu, yaani, ′ = lr. Saketi ya kuandaa | ′⟩ hivyo inahitaji milango 112 ya ziada ya CNOT iliyopangwa katika tabaka tatu ikifuata topolojia ya hexagon nzito ya processor ya Eagle. Saketi hii itatoa makosa makubwa wakati wa kupima vithibitisho vya nodi na kingo za | ⟩ kwa nodi kwenye kata kwa sababu imeundwa kutekeleza | ′⟩. Tunarejelea benchmark hii asilia ya vifaa kama benchmark ya kingo iliyoachwa. Saketi ya kulingana na SWAP inahitaji milango ya ziada 262 ya CNOT ili kuunda milango ya masafa marefu lr, ambayo hupunguza sana thamani ya vithibitisho vilivyopimwa (Mch. ). Kwa upande mwingine, utekelezaji wa LOCC na LO wa kingo katika lr hauna haja ya milango ya SWAP. Makosa ya vithibitisho vyao vya nodi na kingo kwa nodi ambazo hazihusiani na kata huendana kwa karibu na benchmark ya kingo iliyoachwa (Mch. ). Kinyume chake, vithibitisho vinavyohusisha lango la kawaida vina kosa la chini kuliko benchmark ya kingo iliyoachwa na utekelezaji wa SWAP (Mch. , alama za nyota). Kama kipimo cha ubora kwa ujumla, kwanza tunaripoti jumla ya makosa kamili kwenye vithibitisho vya nodi, yaani, ∑ ∈ ∣ − 1∣ (Jedwali la Nyongeza la Data ). Kiwango cha juu cha SWAP kinasababisha kosa kamili la jumla la 44.3. Kosa la 13.1 kwenye benchmark ya kingo iliyoachwa linatawaliwa na nodi nane kwenye mikato minne (Mch. , alama za nyota). Kwa upande mwingine, makosa ya LO na LOCC yameathiriwa na MCMs. Tunatoa kosa la ziada la 1.9 la LOCC juu ya LO kwa ucheleweshaji na milango ya CNOT katika saketi ya teleportation na jozi za Bell zilizokatwa. Katika matokeo yanayotegemea SWAP, haigundui ushirikiano kwenye kingo 35 kati ya 116 kwa kiwango cha uhakika cha 99% (Mch. ). Kwa utekelezaji wa LO na LOCC, inashuhudia takwimu za ushirikiano wa pande mbili kwenye kingo zote katika kwa kiwango cha uhakika cha 99% (Mch. ). Vipimo hivi vinaonyesha kuwa milango ya kawaida ya masafa marefu hutoa vithibitisho na makosa madogo kuliko maingizo yao katika SWAP. Zaidi ya hayo, wanadumisha upotofu wa kutosha ili kuthibitisha takwimu za ushirikiano. 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 QPUs Mbili kama Moja Sasa tunachanganya QPUs mbili za Eagle zenye qubits 127 kila moja kuwa QPU moja kupitia muunganisho wa kawaida wa wakati halisi. Kuendesha vifaa kama processor moja, kubwa zaidi kunajumuisha kutekeleza saketi za quantum zinazoenea kwenye rejista kubwa ya qubit. Mbali na milango ya umoja na vipimo vinavyoendeshwa kwa wakati mmoja kwenye QPU iliyojumuishwa, tunatumia saketi za nguvu kufanya milango inayofanya kazi kwenye qubits kwenye vifaa vyote viwili. Hii inatimizwa na usawazishaji mkali na mawasiliano ya kawaida ya haraka kati ya ala zilizotenganishwa kimwili zinazohitajika kukusanya matokeo ya kipimo 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 iliyotengenezwa kutoka kwa pete za hexagon nzito zinazopitia QPUs zote mbili (Mch. ). Pete hizi zilichaguliwa kwa kuondoa qubits zenye matatizo ya mifumo ya viwango viwili na masuala ya kusoma ili kuhakikisha hali ya grafu ya ubora wa juu. Grafu hii huunda pete katika pande tatu na inahitaji milango minne ya masafa marefu ambayo tunatekeleza na LO na LOCC. Kama hapo awali, itifaki ya LOCC hivyo inahitaji qubits mbili za ziada kwa kila lango lililokatwa kwa jozi za Bell zilizokatwa. Kama katika sehemu iliyotangulia, tunajumuisha matokeo yetu kwenye grafu ambayo haitekelezi kingo zinazoelezea QPUs zote mbili. Kwa kuwa hakuna kiungo cha quantum kati ya vifaa vyote viwili, benchmark na milango ya SWAP haiwezekani. Kingo zote zinaonyesha takwimu za ushirikiano wa pande mbili tunapotekeleza grafu na LO na LOCC kwa kiwango cha uhakika cha 99%. Zaidi ya hayo, vithibitisho vya LO na LOCC vina ubora sawa na benchmark ya kingo iliyoachwa kwa nodi ambazo hazijaathiriwa na lango la masafa marefu (Mch. ). Vithibitisho vilivyoathiriwa na milango ya masafa marefu vina upunguzaji mkubwa wa kosa ikilinganishwa na benchmark ya kingo iliyoachwa. Jumla ya makosa kamili kwenye vithibitisho vya nodi ∑ ∈ ∣ − 1∣, 3 3c i V Si
