Один импульс вместо восьми операций: российские учёные реализовали трёхкубитный гейт с точностью 99,39%

Процессорный модуль создали исследователи Университета МИСИС, Российского квантового центра (РКЦ), Института нанотехнологий микроэлектроники РАН (ИНМЭ РАН) и Московского физико-технического института (МФТИ). В его основе — три сверхпроводниковых кубита типа флаксониум, связанные через общий трансмонный элемент, который выполняет функцию управляющего элемента (связки).

Речь идёт о вентиле CCZ (Controlled-Controlled-Z) — трёхкубитной управляемой фазовой операции, которая изменяет фазу квантового состояния при определённой комбинации состояний трёх кубитов. Она эквивалентна вентилю Тоффоли с точностью до одно-кубитных преобразований и применяется в квантовых алгоритмах, в том числе для поиска по неструктурированным данным, факторизации чисел и реализации схем коррекции ошибок.

При традиционном подходе реализация эквивалентной трёхкубитной операции требует последовательности из восьми двухкубитных вентилей CZ. Каждый дополнительный этап вносит собственную погрешность, которая накапливается по мере выполнения вычислений. Новая архитектура позволяет реализовать операцию непосредственно на уровне аппаратуры, без разложения на отдельные двухкубитные преобразования.

Управление осуществляется одним микроволновым импульсом, подаваемым на трансмонный элемент. Его длительность составляет 65 нс. При этом настройка не требует сложной системы управления: исследователи используют два стандартных метода калибровки, основанных на измерениях типа Раби и Рамсея. Экспериментальная проверка с помощью метода бенчмаркинга на основе перекрёстной энтропии (XEB) показала точность 99,39 ± 0,05%.

По оценке авторов работы, для достижения сопоставимой точности при традиционной реализации потребовались бы двухкубитные вентили CZ с точностью около 99,94% каждый. Это уровень лучших экспериментальных результатов для сверхпроводниковых квантовых устройств, достижение которого остаётся сложной задачей.

Исследователи также показали, что предложенная архитектура допускает масштабирование до двумерных схем. При этом сохраняются механизмы подавления паразитных взаимодействий между кубитами, которые особенно важны при увеличении числа элементов квантового процессора. Таким образом, работа демонстрирует возможность использования нативных много-кубитных операций не только в экспериментальных трёхкубитных модулях, но и в архитектурах будущих масштабируемых вычислительных систем.

Результаты исследования представлены в научной статье Native CCZ Gate with Fluxonium Qubits and a Microwave-Driven Coupler, размещённой на сервере препринтов arXiv. Работа выполнена при поддержке программы «Приоритет-2030».

Станут ли нативные много-кубитные операции следующим этапом развития квантовых процессоров, позволяющим обойти ограничения традиционных архитектур, или масштабирование таких схем столкнётся с новыми проблемами управления и подавления ошибок? Насколько перспективным вы считаете этот подход?

Источник: https://www.en.misis.ru/news/10696/