«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.