«Кошачьи кубиты» против квантового шума. Как Alice & Bob нашли способ сделать магические состояния в 10 раз дешевле

Квантовые компьютеры обладают потенциалом решать задачи, недоступные классическим системам, однако они невероятно уязвимы к шумам, что приводит к сбоям и снижает точность вычислений. Чтобы компенсировать эту слабость, разработаны различные методы коррекции, и одним из ключевых направлений стала дистилляция магических состояний. Эти особые конфигурации квантовой системы позволяют реализовать универсальный набор операций, необходимый для любого алгоритма. Без них построение действительно надёжного квантового компьютера невозможно.

Традиционные схемы дистилляции дают хорошие результаты, но требуют колоссальных ресурсов: сотни защищённых кубитов и многочисленные циклы исправления ошибок. Именно из-за этого они пока плохо применимы на практике. В ответ исследователи из Alice & Bob вместе с коллегами из PSL University CNRS и Inria предложили альтернативный подход — так называемую «развёрнутую дистилляцию» (unfolded distillation). В отличие от прежних методов, он работает напрямую на физическом уровне, избегая чрезмерного числа проверок, и учитывает специфику систем со смещённым шумом.

В центре новой идеи лежат «кошачьи кубиты» Alice & Bob. Их устройство специально подавляет один из видов сбоев — битовые флипы. Команда показала, что эту асимметрию можно использовать для упрощения подготовки магических состояний. Обычно для этого применяется код Рида–Маллера, который изначально создавался для классических вычислительных систем, а затем был адаптирован для квантовых. Однако он требует трёхмерной геометрии, что крайне сложно реализовать. В новой работе доказано: если применяются кубиты со смещением, тот же код можно «развернуть» в двумерное пространство. Благодаря этому достаточно примерно 53 элементов и около пяти с половиной циклов коррекции для получения высокоточных магических состояний при большом уровне шумового перекоса.

Компьютерное моделирование подтвердило жизнеспособность подхода. Протокол достиг логической частоты ошибок порядка 10⁻⁷, используя на порядок меньше кубит-циклов, чем существующие методы как для симметричных, так и для шумово-смещённых систем. Дополнительное преимущество в том, что он совместим с современными аппаратными платформами: схема работает с двухкубитными операциями в плоской раскладке, что подходит как для сверхпроводниковых решений, так и для кошачьих кубитов.

Эта разработка приближает появление более компактных и доступных систем подготовки магических состояний, что напрямую отражается на надёжности и эффективности будущих квантовых машин. Как отметил автор работы Диего Руис, следующим шагом может стать увеличение «длины кода» для достижения ещё более высокой точности и отказ от многослойных протоколов, а также создание специализированных магических состояний для трёхкубитного элемента Тоффоли, востребованного в ряде алгоритмов.

Если эти идеи удастся внедрить в реальное оборудование, то квантовые вычислители станут значительно ближе к статусу универсальных и отказоустойчивых устройств, способных решать задачи прикладного масштаба.