```html May-akda: Almudena Carrera Vazquez Caroline Tornow Diego Ristè Stefan Woerner Maika Takita Daniel J. Egger Buod Pinoproseso ng mga quantum computer ang impormasyon gamit ang mga batas ng quantum mechanics. Ang kasalukuyang quantum hardware ay maingay, panandalian lamang nakakapag-imbak ng impormasyon, at limitado sa ilang quantum bits, o qubits, na karaniwang nakaayos sa isang planar connectivity . Gayunpaman, maraming aplikasyon ng quantum computing ang nangangailangan ng mas maraming connectivity kaysa sa planar lattice na inaalok ng hardware sa mas maraming qubits kaysa sa available sa isang solong quantum processing unit (QPU). Inaasahan ng komunidad na matugunan ang mga limitasyong ito sa pamamagitan ng pagkonekta ng mga QPU gamit ang classical communication, na hindi pa napatutunayan sa eksperimento. Dito, eksperimental naming naisasagawa ang error-mitigated dynamic circuits at circuit cutting upang lumikha ng mga quantum state na nangangailangan ng periodic connectivity gamit ang hanggang 142 qubits na sumasaklaw sa dalawang QPU na may tig-127 qubits na konektado sa real time gamit ang classical link. Sa isang dynamic circuit, ang mga quantum gate ay maaaring classically controlled ng mga resulta ng mid-circuit measurements sa loob ng run-time, ibig sabihin, sa loob ng isang bahagi ng coherence time ng mga qubits. Ang aming real-time classical link ay nagbibigay-daan sa amin na maglapat ng quantum gate sa isang QPU na nakabatay sa resulta ng measurement sa ibang QPU. Higit pa rito, ang error-mitigated control flow ay nagpapahusay sa qubit connectivity at sa instruction set ng hardware, kaya nagpapataas ng versatility ng aming mga quantum computer. Ang aming trabaho ay nagpapakita na maaari naming gamitin ang ilang quantum processor bilang isa na may error-mitigated dynamic circuits na pinapagana ng real-time classical link. 1 Pangunahin Pinoproseso ng mga quantum computer ang impormasyong naka-encode sa mga quantum bit gamit ang mga unitary operation. Gayunpaman, ang mga quantum computer ay maingay at karamihan sa mga large-scale architecture ay nag-aayos ng mga pisikal na qubit sa isang planar lattice. Gayunpaman, ang mga kasalukuyang processor na may error mitigation ay maaari nang mag-simulate ng mga hardware-native Ising model na may 127 qubits at masukat ang mga observable sa isang sukat kung saan ang brute-force na pamamaraan gamit ang mga classical computer ay nahihirapan na . Ang pagiging kapaki-pakinabang ng mga quantum computer ay nakasalalay sa karagdagang pag-scale at paglampas sa kanilang limitadong qubit connectivity. Mahalaga ang isang modular na pamamaraan para sa pag-scale ng mga kasalukuyang noisy quantum processor at para sa pagkamit ng malalaking bilang ng mga pisikal na qubit na kailangan para sa fault tolerance . Ang mga trapped ion at neutral atom architectures ay maaaring makamit ang modularity sa pamamagitan ng pisikal na paglilipat ng mga qubit , . Sa malapit na hinaharap, ang modularity sa superconducting qubits ay nakakamit sa pamamagitan ng mga short-range interconnect na nag-uugnay ng mga katabing chip , . 1 2 3 4 5 6 7 8 Sa katamtamang hinaharap, ang mga long-range gate na gumagana sa microwave regime ay maaaring maisagawa sa mahahabang conventional cable , , . Ito ay magbibigay-daan sa non-planar qubit connectivity na angkop para sa mahusay na error correction . Ang isang pangmatagalang alternatibo ay ang pag-entangle ng mga remote QPU gamit ang optical link na gumagamit ng microwave to optical transduction , na hindi pa natin alam na naipakita. Higit pa rito, ang dynamic circuits ay nagpapalawak ng hanay ng mga operasyon ng isang quantum computer sa pamamagitan ng pagsasagawa ng mid-circuit measurements (MCMs) at classical control ng isang gate sa loob ng coherence time ng mga qubits. Pinapahusay nito ang kalidad ng algorithm at qubit connectivity . Gaya ng ipapakita natin, ang mga dynamic circuit ay nagbibigay-daan din sa modularity sa pamamagitan ng pagkonekta ng mga QPU sa real time sa pamamagitan ng classical link. 9 10 11 3 12 13 14 Gumagamit kami ng isang komplementaryong pamamaraan batay sa mga virtual gate upang ipatupad ang mga long-range interaction sa isang modular na arkitektura. Kinokonekta namin ang mga qubit sa arbitraryong lokasyon at nililikha ang mga statistics ng entanglement sa pamamagitan ng quasi-probability decomposition (QPD) , , . Ihinahambing namin ang isang Local Operations (LO) only scheme sa isa na pinalaki ng Classical Communication (LOCC) . Ang LO scheme, na naipakita sa two-qubit setting , ay nangangailangan ng pagpapatupad ng maraming quantum circuit na may local operations lamang. Sa kabilang banda, upang ipatupad ang LOCC, kumukunsumo kami ng mga virtual Bell pair sa isang teleportation circuit upang lumikha ng two-qubit gate , . Sa quantum hardware na may sparse at planar connectivity, ang paglikha ng Bell pair sa pagitan ng arbitraryong qubits ay nangangailangan ng isang long-range controlled-NOT (CNOT) gate. Upang maiwasan ang mga gate na ito, gumagamit kami ng QPD sa mga local operations na nagreresulta sa cut Bell pairs na kinukunsumo ng teleportation. Hindi kailangan ng LO ang classical link at samakatuwid ay mas simple ipatupad kaysa sa LOCC. Gayunpaman, dahil ang LOCC ay nangangailangan lamang ng isang parameterized template circuit, ito ay mas mahusay na i-compile kaysa sa LO at ang gastos ng QPD nito ay mas mababa kaysa sa gastos ng LO scheme. 15 16 17 16 17 18 19 20 Ang aming trabaho ay gumagawa ng apat na pangunahing kontribusyon. Una, ipinapakita namin ang mga quantum circuit at QPD upang lumikha ng maraming cut Bell pairs upang maisagawa ang mga virtual gate sa ref. . Pangalawa, pinipigilan at binabawasan namin ang mga error na nagmumula sa latency ng classical control hardware sa dynamic circuits gamit ang kombinasyon ng dynamical decoupling at zero-noise extrapolation . Pangatlo, ginagamit namin ang mga pamamaraang ito upang i-engineer ang periodic boundary conditions sa isang 103-node graph state. Pang-apat, nagpapakita kami ng real-time classical connection sa pagitan ng dalawang magkahiwalay na QPU, sa gayon ay nagpapakita na ang isang sistema ng mga distributed QPU ay maaaring patakbuhin bilang isa sa pamamagitan ng classical link . Kasama ng dynamic circuits, nagbibigay-daan ito sa amin na patakbuhin ang parehong mga chip bilang isang solong quantum computer, na aming inilalarawan sa pamamagitan ng pag-engineer ng isang periodic graph state na sumasaklaw sa parehong mga device sa 142 qubits. Tinatalakay namin ang isang paraan upang lumikha ng mga long-range gate at ibinibigay ang aming konklusyon. 17 21 22 23 Circuit cutting Pinapatakbo namin ang malalaking quantum circuit na maaaring hindi direktang maisasagawa sa aming hardware dahil sa mga limitasyon sa qubit count o connectivity sa pamamagitan ng pagputol ng mga gate. Ang circuit cutting ay nagde-decompose ng isang kumplikadong circuit sa mga subcircuit na maaaring indibidwal na maisagawa , , , , , . Gayunpaman, kailangan naming magpatakbo ng mas mataas na bilang ng mga circuit, na tinatawag naming sampling overhead. Ang mga resulta mula sa mga subcircuit na ito ay pagkatapos ay classically pinagsasama-sama upang makuha ang resulta ng orihinal na circuit ( ). 15 16 17 24 25 26 Methods Bilang isa sa mga pangunahing kontribusyon ng aming trabaho ay ang pagpapatupad ng mga virtual gate gamit ang LOCC, ipinapakita namin kung paano lumikha ng mga kinakailangang cut Bell pair gamit ang mga local operations. Dito, maraming cut Bell pair ang ini-engineer ng mga parameterized quantum circuit, na tinatawag naming cut Bell pair factory (Fig. ). Ang pagputol ng maraming pares sa parehong oras ay nangangailangan ng mas mababang sampling overhead . Dahil ang cut Bell pair factory ay bumubuo ng dalawang magkahiwalay na quantum circuit, inilalagay namin ang bawat subcircuit malapit sa mga qubit na may long-range gate. Ang resulta na resource ay pagkatapos ay kinukunsumo sa isang teleportation circuit. Halimbawa, sa Fig. , ang mga cut Bell pair ay kinukunsumo upang lumikha ng CNOT gate sa mga qubit pair (0, 1) at (2, 3) (tingnan ang seksyon ‘ ’). 1b,c 17 1b Cut Bell pair factories , Depiksyon ng isang IBM Quantum System Two architecture. Dito, dalawang 127 qubit Eagle QPU ang konektado sa isang real-time classical link. Ang bawat QPU ay kinokontrol ng electronics nito sa rack nito. Mahigpit naming sinasabay ang parehong mga rack upang mapatakbo ang parehong QPU bilang isa. , Template quantum circuit upang ipatupad ang mga virtual CNOT gate sa mga qubit pair ( 0, 1) at ( 2, 3) gamit ang LOCC sa pamamagitan ng pagkunsumo ng mga cut Bell pair sa isang teleportation circuit. Ang mga lilang dobleng linya ay kumakatawan sa real-time classical link. , Cut Bell pair factories 2( ) para sa dalawang sabay na cut Bell pair. Ang QPD ay may kabuuang 27 iba't ibang parameter set . Dito, . a b q q q q c C θ i θ i Periodic boundary conditions Gumagawa kami ng graph state | ⟩ na may periodic boundary conditions sa ibm_kyiv, isang Eagle processor , na lumalampas sa mga limitasyon na ipinapataw ng pisikal nitong connectivity (tingnan ang seksyon ‘ ’). Dito, ang ay may ∣ ∣ = 103 node at nangangailangan ng apat na long-range edge lr = {(1, 95), (2, 98), (6, 102), (7, 97)} sa pagitan ng mga top at bottom qubit ng Eagle processor (Fig. ). Sinusukat namin ang mga node stabilizer sa bawat node ∈ at ang mga edge stabilizer na nabuo mula sa produkto sa bawat edge ( , ) ∈ . Mula sa mga stabilizer na ito, gumagawa kami ng entanglement witness , na negatibo kung may bipartite entanglement sa edge ( , ) ∈ (ref. ) (tingnan ang seksyon ‘ ’). Nakatuon kami sa bipartite entanglement dahil ito ang resource na nais naming muling likhain gamit ang mga virtual gate. Ang pagsukat ng mga witness ng entanglement sa pagitan ng higit sa dalawang partido ay sumusukat lamang sa kalidad ng mga non-virtual gate at measurement, na ginagawang hindi malinaw ang epekto ng mga virtual gate. G 1 Graph states G V E 2a Si i V SiSj i j E i j E 27 Entanglement witness , Ang heavy-hexagonal graph ay nakatiklop sa sarili nito upang maging hugis-tubo sa pamamagitan ng mga edge (1, 95), (2, 98), (6, 102) at (7, 97) na naka-highlight sa asul. Pinutol namin ang mga edge na ito. , Ang mga node stabilizer (itaas) at mga witness , (ibaba), na may 1 standard deviation para sa mga node at edge na malapit sa mga long-range edge. Ang mga vertical dashed line ay nagpapangkat ng mga stabilizer at witness ayon sa kanilang distansya sa mga cut edge. , Cumulative distribution function ng mga stabilizer error. Ang mga bituin ay nagpapahiwatig ng mga node stabilizer na may edge na ipinapatupad ng isang long-range gate. Sa dropped edge benchmark (dash-dotted red line), ang mga long-range gate ay hindi ipinapatupad at ang mga star-indicated stabilizer ay samakatuwid ay may unit error. Ang grey region ay ang probability mass na tumutugma sa mga node stabilizer na naapektuhan ng mga cut. – , Sa two-dimensional layout, ang mga berdeng node ay nagdodoble sa mga node 95, 98, 102 at 97 upang ipakita ang mga cut edge. Ang mga asul na node sa ay mga qubit resource upang lumikha ng mga cut Bell pair. Ang kulay ng node ay ang absolute error ∣ − 1∣ ng sinusukat na stabilizer, gaya ng ipinahihiwatig ng color bar. Ang isang edge ay itim kung ang statistics ng entanglement ay nakita sa 99% confidence level at violet kung hindi. Sa , ang mga long-range gate ay ipinapatupad gamit ang SWAP gate. Sa , ang parehong mga gate ay ipinapatupad gamit ang LOCC. Sa , hindi ito ipinapatupad. a b Sj c Sj d f e i Si d e f Inihahanda namin ang | ⟩ gamit ang tatlong magkakaibang pamamaraan. Ang mga hardware-native edge ay palaging ipinapatupad gamit ang CNOT gate ngunit ang mga periodic boundary conditions ay ipinapatupad gamit ang (1) SWAP gate, (2) LOCC, at (3) LO upang ikonekta ang mga qubit sa buong lattice. Ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng LOCC at LO ay isang feed-forward operation na binubuo ng mga single-qubit gate na nakabatay sa 2 measurement outcomes, kung saan ang ay ang bilang ng mga cut. Ang bawat isa sa 22 na kaso ay nag-trigger ng isang natatanging kumbinasyon ng at/o gate sa naaangkop na mga qubit. Ang pagkuha ng mga resulta ng measurement, pagtukoy ng naaangkop na kaso, at pagkilos batay dito ay isinasagawa sa real time ng control hardware, sa halaga ng isang fixed na karagdagang latency. Binabawasan at pinipigilan namin ang mga error na nagreresulta mula sa latency na ito gamit ang zero-noise extrapolation at staggered dynamical decoupling , (tingnan ang seksyon ‘ ’). G n n n X Z 22 21 28 Error-mitigated quantum circuit switch instructions Binibigyan namin ng benchmark ang SWAP, LOCC, at LO na mga implementasyon ng | ⟩ gamit ang isang hardware-native graph state sa ′ = ( , ′) na nakuha sa pamamagitan ng pag-alis ng mga long-range gate, ibig sabihin, ′ = lr. Ang circuit na naghahanda ng | ′⟩ samakatuwid ay nangangailangan lamang ng 112 CNOT gate na nakaayos sa tatlong layer na sumusunod sa heavy-hexagonal topology ng Eagle processor. Ang circuit na ito ay mag-uulat ng malalaking error kapag sinusukat ang mga node at edge stabilizer ng | ⟩ para sa mga node sa isang cut gate dahil ito ay idinisenyo upang ipatupad ang | ′⟩. Tinutukoy namin ang hardware-native benchmark na ito bilang dropped edge benchmark. Ang swap-based circuit ay nangangailangan ng karagdagang 262 CNOT gate upang likhain ang mga long-range edge lr, na drastikong nagpapababa sa halaga ng mga sinusukat na stabilizer (Fig. ). Sa kabilang banda, ang LOCC at LO na implementasyon ng mga edge sa lr ay hindi nangangailangan ng SWAP gate. Ang mga error ng kanilang mga node at edge stabilizer para sa mga node na hindi kasama sa isang cut gate ay malapit na sumusunod sa dropped edge benchmark (Fig. ). Sa kabaligtaran, ang mga stabilizer na kasama ang isang virtual gate ay may mas mababang error kaysa sa dropped edge benchmark at sa swap implementation (Fig. , star markers). Bilang isang pangkalahatang sukatan ng kalidad, una naming iniuulat ang kabuuan ng mga absolute error sa mga node stabilizer, ibig sabihin, ∑ ∈ ∣ − 1∣ (Extended Data Table ). Ang malaking SWAP overhead ay responsable para sa 44.3 sum absolute error. Ang 13.1 error sa dropped edge benchmark ay pinangungunahan ng walong node sa apat na cut (Fig. , star markers). Sa kabilang banda, ang LO at LOCC errors ay apektado ng MCMs. Ina-attribute namin ang 1.9 karagdagang error ng LOCC kaysa sa LO sa mga delay at CNOT gate sa teleportation circuit at cut Bell pair. Sa mga swap-based na resulta, ay hindi nakakadetect ng entanglement sa 35 sa 116 na edge sa 99% confidence level (Fig. ). Para sa LO at LOCC implementation, ang mga witness ng statistics ng bipartite entanglement sa lahat ng edge sa sa 99% confidence level (Fig. ). Ang mga sukatan na ito ay nagpapakita na ang virtual long-range gate ay gumagawa ng mga stabilizer na may mas maliit na error kaysa sa kanilang decomposition sa SWAP. Bukod pa rito, pinapanatili nila ang variance na sapat na mababa upang mapatunayan ang statistics ng entanglement. 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 Pagpapatakbo ng dalawang QPU bilang isa Pinagsasama namin ngayon ang dalawang Eagle QPU na may tig-127 qubits sa isang solong QPU sa pamamagitan ng isang real-time classical connection. Ang pagpapatakbo ng mga device bilang isang solong, mas malaking processor ay binubuo ng pagpapatupad ng mga quantum circuit na sumasaklaw sa mas malaking qubit register. Bukod sa mga unitary gate at measurement na tumatakbo nang sabay-sabay sa pinagsamang QPU, ginagamit namin ang mga dynamic circuit upang magsagawa ng mga gate na gumagana sa mga qubit sa parehong device. Ito ay pinapagana ng mahigpit na synchronization at mabilis na classical communication sa pagitan ng pisikal na magkahiwalay na instrumento na kailangan upang kolektahin ang mga resulta ng measurement at matukoy ang control flow sa buong sistema . 29 Sinusubukan namin ang real-time classical connection na ito sa pamamagitan ng pag-engineer ng isang graph state sa 134 qubits na binuo mula sa heavy-hexagonal rings na dumadaan sa parehong QPU (Fig. ). Ang mga singsing na ito ay pinili sa pamamagitan ng pagbubukod ng mga qubit na apektado ng two-level systems at readout issues upang matiyak ang isang mataas na kalidad na graph state. Ang graph na ito ay bumubuo ng isang singsing sa tatlong dimensyon at nangangailangan ng apat na long-range gate na ipinapatupad namin gamit ang LO at LOCC. Gaya ng dati, ang LOCC protocol samakatuwid ay nangangailangan ng dalawang karagdagang qubit bawat cut gate para sa mga cut Bell pair. Gaya sa nakaraang seksyon, binibigyan namin ng benchmark ang aming mga resulta sa isang graph na hindi ipinapatupad ang mga edge na dumadaan sa parehong QPU. Dahil walang quantum link sa pagitan ng dalawang device, imposible ang isang benchmark gamit ang SWAP gate. Ang lahat ng edge ay nagpapakita ng mga statistics ng bipartite entanglement kapag ipinapatupad namin ang graph gamit ang LO at LOCC sa 99% confidence level. Higit pa rito, ang mga stabilizer ng LO at LOCC ay may parehong kalidad tulad ng dropped edge benchmark para sa mga node na hindi apektado ng long-range gate (Fig. ). Ang mga stabilizer na apektado ng long-range gate ay may malaking pagbaba sa error kumpara sa dropped edge benchmark. Ang kabuuan ng mga absolute error sa mga node stabilizer ∑ ∈ ∣ − 1∣, ay 21.0, 19.2, at 12.6 para sa dropped edge benchmark, LOCC, at LO, ayon sa pagkakabanggit. Gaya ng dati, ina-attribute namin ang 6.6 karagdagang error ng LOCC kaysa sa LO sa mga delay at CNOT gate sa teleportation circuit at cut Bell pair. Ang mga resulta ng LOCC ay nagpapakita kung paano ang isang dynamic quantum circuit kung saan ang dalawang subcircuit ay konektado ng isang real-time classical link ay maaaring maisagawa sa dalawang magkahiwalay na QPU. Ang mga resulta ng LO ay maaaring makuha sa isang solong device na may 127 qubits sa halaga ng karagdagang factor na 2 sa run-time dahil ang mga subcircuit ay maaaring patakbuhin nang sunud-sunod. 3 3c i V Si , Graph state na may periodic boundaries na ipinapakita sa tatlong dimensyon. Ang mga asul na edge ay ang mga cut edge. , Coupling map ng dalawang Eagle QPU na pinapatakbo bilang isang solong device na may 254 qubits. Ang mga lilang node ay ang mga qubit na bumubuo sa graph state sa at ang mga asul na node ay ginagamit para sa mga cut Bell pair. , , Absolute error sa mga stabilizer ( ) at edge witness ( ) na ipinapatupad gamit ang LOCC (solid green) at LO (solid orange) at sa isang dropped edge benchmark graph (dotted-dashed red) para sa graph state sa . Sa a b a c d c d a c
