Новый класс LDPC-кодов позволяет масштабировать квантовые компьютеры до миллионов кубитов

Учёные из Токийского института науки сообщили о важном прорыве в области квантовой коррекции ошибок, который способен приблизить создание масштабируемого квантового компьютера.

Команда разработала новый класс квантовых кодов коррекции ошибок — LDPC (low-density parity-check), которые работают почти на уровне теоретического предела эффективности, известного как hashing bound.

«Наш код имеет скорость выше 1/2 и рассчитан на сотни тысяч логических кубитов», — пояснил ведущий автор проекта, доцент Кэнта Касаи. По его словам, сложность декодирования прямо пропорциональна числу физических кубитов, что является ключевым достижением для масштабируемости квантовых систем.

Квантовые компьютеры давно рассматриваются как инструмент для решения задач квантовой химии, криптографии и оптимизации, однако их развитие тормозится из-за нестабильности кубитов. Обычно один логический кубит требует тысячи физических, а операции подвержены высоким ошибкам.

Новые LDPC-коды позволяют снизить избыточность: меньше физических кубитов тратится на построение логического. Это повышает эффективность и открывает путь к созданию миллионов логических кубитов, что необходимо для решения практических задач.

Для достижения результата учёные использовали фоторафические LDPC-коды и применили аффинные перестановки, которые делают структуру кода более разнообразной и устраняют узкие места в декодировании. Вместо классической бинарной математики они использовали небинарную, что позволило передавать больше информации и повысить точность.

Далее коды были преобразованы в формат CSS (Calderbank-Shor-Steane), один из наиболее распространённых в квантовой коррекции ошибок. Для исправления сбоев команда применила модифицированный алгоритм сумм-произведений, который способен одновременно обрабатывать два типа ошибок: битовые (X) и фазовые (Z).

Даже при масштабах в сотни тысяч кубитов уровень ошибок оставался крайне низким — порядка 10⁻⁴. Это близко к пределу, установленному теорией, что делает результат особенно значимым.

«Наши коды могут позволить квантовым компьютерам масштабироваться до миллионов логических кубитов», — отметил Касаи в EurekAlert. Он подчеркнул, что это повысит надёжность и масштабируемость квантовых систем и станет основой для практического применения.

Результаты исследования опубликованы в журнале npj Quantum Information. Авторы считают, что это шаг к созданию отказоустойчивых квантовых вычислений, способных принести пользу множеству областей — от науки до промышленности.