Квантовые вычисления и связь: термины с привязкой к новостям

Справочник по терминам, которые встречаются в материалах USB.RU о квантовых компьютерах и квантовых интерконнектах. У каждого термина - суть, объяснение, почему он важен для масштабирования, и ссылка на наши материалы, где он встречается вживую.

Кубит

Базовая единица квантовой информации, аналог классического бита. Кубит может хранить 0 или 1, но также способен существовать как взвешенная комбинация обоих сразу - это свойство называется суперпозицией; при измерении состояние превращается в обычное двоичное значение. Кубиты делают из сверхпроводящих контуров, захваченных ионов, фотонов, квантовых точек - у каждой платформы свои компромиссы скорости, времени жизни и управляемости.

Почему это важно для масштабирования: всё упирается в число и качество кубитов - без тысяч стабильных кубитов недоступны большие задачи, а каждый новый кубит добавляет проблем с управлением и ошибками.

Где встречается на USB.RU: IonQ - 1 кГц запутывания (кубит на захваченном ионе и ячейка памяти на кремниевой вакансии в алмазе); Xanadu и GlobalFoundries (фотонные кубиты).

Суперпозиция

Состояние, в котором кубит представляет комбинацию всех своих возможных конфигураций сразу; группа кубитов в суперпозиции создаёт сложное многомерное вычислительное пространство. Алгоритм готовит суперпозицию, затем операциями усиливает вероятности правильных ответов и гасит остальные (это называется интерференцией); измерение фиксирует один итог. По IBM, именно манипуляция суперпозицией и интерференцией даёт квантовым алгоритмам доступ к математике, недоступной классическим машинам.

Почему это важно для масштабирования: чем больше кубитов удаётся удерживать в когерентной суперпозиции одновременно, тем сложнее задачи доступны процессору.

Где встречается на USB.RU: базовый термин всех материалов рубрики «Квантовые системы»; определение - по IBM.

Запутанность

Способность кубитов коррелировать своё состояние с состоянием других кубитов: измерение одного запутанного кубита сразу даёт информацию о других кубитах той же системы, как бы далеко они ни находились. Именно запутанность позволяет группе кубитов работать как единое целое, а не как набор независимых битов.

Почему это важно для масштабирования: распределённые вычисления требуют запутывать кубиты в разных модулях - это и есть главная задача квантовых интерконнектов.

Где встречается на USB.RU: IonQ - 1 кГц запутывания - более 1000 запутанных пар в секунду между ионом и алмазной памятью, вчетверо выше прежнего рекорда.

Декогеренция

Процесс, при котором система в квантовом состоянии переходит в неквантовое: её может намеренно вызвать измерение, но чаще она запускается непреднамеренно факторами окружения - теплом, вибрациями, электромагнитными помехами. Декогеренция разрушает информацию, закодированную в кубитах, поэтому вычисления требуют сводить её к минимуму.

Почему это важно для масштабирования: время когерентности задаёт, сколько операций успевает выполнить процессор до разрушения состояния; вся инженерия квантовых машин - это война с декогеренцией.

Где встречается на USB.RU: IBM называет декогеренцию главным препятствием и объясняет ею сверхнизкие температуры процессоров.

Физический и логический кубит

Физический кубит реализован на конкретной физической системе, например на захваченном ионе или сверхпроводящей электрической цепи. Логическим кубитом называют единицу квантовой информации, которую кодируют для защиты от ошибок. В кодах на нескольких физических кубитах эта информация распределена по их совместному состоянию. IBM Quantum Learning различает физические носители, защищаемые логические кубиты и вспомогательные кубиты, с помощью которых получают сведения об ошибках.

Условный образ криогенной установки для сверхпроводящей платформы. Иллюстрация создана с помощью ИИ.

Универсального пересчёта между физическими и логическими кубитами нет. Требуемые ресурсы зависят от выбранного кода, ошибок оборудования и допустимой вероятности ошибки логической операции. В оценке также учитывают вспомогательные элементы и процедуру выполнения вычислений. Сотни или тысячи физических кубитов встречаются в отдельных оценках, но не служат определением логического кубита. IBM разбирает зависимость ресурсов от кода и задачи.

При чтении новости выясните, что именно продемонстрировали: хранение закодированного состояния, обнаружение ошибки, её исправление или выполнение логической операции. Количество кубитов без этих условий не позволяет сравнить системы. Для такой проверки пригодится материал «Как читать квантовый анонс».

Где встречается на USB.RU: Xanadu и GlobalFoundries - партнёрство ради будущих отказоустойчивых демонстраторов, то есть машин на логических кубитах.

Квантовая коррекция ошибок

Квантовая коррекция ошибок защищает закодированную информацию с помощью специально выбранных проверок и процедуры восстановления. Проверки дают синдром, набор результатов измерений. По нему классический алгоритм, декодер, оценивает произошедшие ошибки. При этом не требуется считывать само неизвестное логическое состояние. Затем система применяет или учитывает нужную коррекцию. Принцип получения синдрома и его ограничения разобраны в курсе IBM по квантовой коррекции ошибок.

Обнаружение ошибки ещё не означает её исправление. Если эксперимент отбрасывает подозрительные запуски, это постотбор, и вместе с качеством принятых результатов нужно учитывать долю отброшенных. Коррекция, обнаружение и методы уменьшения влияния шума решают связанные задачи, но требуют разных ресурсов. IBM объясняет эти различия.

Схема показывает роли в коррекции ошибок. Количество кружков условное и не задаёт соотношение физических и логических кубитов.

Surface code: поверхностный код

Семейство квантовых кодов, в котором проверки связывают соседние элементы двумерной структуры. Такая организация удобна для оборудования с локальными связями. С увеличением требуемой защиты растут затраты на физические элементы и измерения. Само название surface code не задаёт ни фиксированного числа кубитов, ни достигнутой точности. При оценке результата нужны параметры кода, модель шума и способ декодирования. Устройство и ограничения поверхностного кода описаны в учебном материале IBM.

Отказоустойчивый квантовый компьютер

В такой системе защита учитывает ошибки во время хранения информации, измерений и выполнения операций. Достаточность защиты оценивают для выбранного вычисления и требуемой надёжности. Поэтому демонстрация защищённой памяти ещё не подтверждает готовность универсального компьютера с нужным набором логических операций. Это различие IBM рассматривает в обзоре методов коррекции и отказоустойчивых вычислений.

В сообщении о новом устройстве ищите показанную операцию, условия испытания и показатель ошибки с методикой измерения. Эти сведения объясняют результат точнее, чем одно число кубитов.

Высокое качество принятой выборки оценивают вместе с долей отброшенных запусков. Оно само по себе не подтверждает выполнение коррекции ошибок. Методы могут сочетаться.

Источники: Error correction I, IBM Quantum Learning, Error correction II: When is error correction the right tool for quantum advantage?, The continuous path from error mitigation to fault-tolerant quantum computing.

Где встречается на USB.RU: Xanadu и GlobalFoundries (цель - отказоустойчивые процессоры); IBM.

NISQ

Аббревиатура от Noisy Intermediate-Scale Quantum - «шумные квантовые системы промежуточного масштаба». Термин ввёл физик Джон Прескилл (Калтех) в 2018 году для нынешнего поколения машин: достаточно больших, чтобы их было трудно моделировать классическими компьютерами, но слишком подверженных ошибкам для сложных алгоритмов. Машины NISQ-эры не имеют полноценной квантовой коррекции ошибок и служат в основном исследовательскими платформами.

Почему это важно для масштабирования: NISQ - это «сейчас»; выход за его пределы и есть переход к логическим кубитам и отказоустойчивости.

Где встречается на USB.RU: контекст всех текущих новостей рубрики «Квантовые системы» - и IonQ, и Xanadu работают на пути от NISQ к отказоустойчивым машинам.

Квантовый интерконнект

Оборудование и физический канал, связывающие отдельные квантовые процессоры в единую распределённую систему. Один чип не вмещает столько кубитов, сколько нужно для больших задач, поэтому модули соединяют так, чтобы они обменивались квантовой информацией и работали как одно целое. Связь реализуют либо микроволновыми коаксиальными линиями внутри криогенных установок, либо фотонными каналами по оптоволокну; ключевое требование - сохранить запутанность при передаче между узлами.

Почему это важно для масштабирования: интерконнект - альтернатива бесконечному наращиванию одного чипа; модульная архитектура - ставка IonQ, Xanadu и программы DARPA HARQ.

Где встречается на USB.RU: IonQ - 1 кГц запутывания (рекорд скорости интерконнекта и программа DARPA HARQ по высокоскоростным интерконнектам).

Фотонный интерконнект

Разновидность квантового интерконнекта, где переносчик - фотоны по оптоволокну. У фотонных процессоров вычислительные кубиты сами являются «летающими кубитами», поэтому для связи с другим модулем не нужна трансдукция в среду передачи. IonQ показала скорость запутывания свыше 1000 пар в секунду между ионом и алмазной SiV-памятью - темп впервые догоняет вычисления самого ионного процессора; технология уже продаётся (Университет Мэриленда, SDT в Южной Корее).

Почему это важно для масштабирования: фотоны - главный кандидат на связь модулей на расстоянии, вплоть до квантовых сетей; оптоволокно масштабируется лучше коаксиала.

Где встречается на USB.RU: IonQ - 1 кГц запутывания; Xanadu и GlobalFoundries (фотонные вычисления как платформа).

Фотонный преобразователь (трансдьюсер)

Устройство, переводящее квантовое состояние из микроволнового диапазона (язык сверхпроводящих кубитов) в оптический (язык фотонов) и обратно с сохранением когерентности. Нужен там, где сверхпроводящий процессор должен общаться с внешним миром по оптоволокну: микроволны по волокну не ходят, а коаксиальные линии не масштабируются на большие расстояния.

Почему это важно для масштабирования: без эффективных трансдьюсеров сверхпроводящие модули останутся изолированными островами внутри одного криостата - модульная архитектура для них невозможна.

Где встречается на USB.RU: IonQ - 1 кГц запутывания - программа DARPA HARQ развивает интерконнекты, совместимые с разными типами кубитов, включая сверхпроводящие системы с трансдьюсерами.

Криостат и холодильник растворения

Криостат - теплоизолированная установка, внутри которой квантовый чип охлаждается до милликельвинов: по IBM, примерно в сто раз холоднее одного градуса выше абсолютного нуля, чтобы минимизировать шумы и избежать декогеренции. Для сверхпроводящих кубитов это условие работы, а не опция. До таких температур охлаждает холодильник растворения - каскадная установка на смеси изотопов гелия со сверхтекучими хладагентами.

Почему это важно для масштабирования: каждый кубит требует места и линий в криостате, поэтому рост числа кубитов упирается в физический объём и холодопроизводительность установки.

Где встречается на USB.RU: IBM (температуры, сверхтекучие хладагенты, размер установки «с автомобиль»); контраст - Xanadu строит фотонные машины с работой при комнатной температуре.

Криогенный ввод-вывод

Кабели, фильтры, аттенюаторы и усилители, доставляющие управляющие сигналы от комнатной электроники к квантовому чипу внутри криостата и возвращающие сигналы считывания обратно. По IBM, сверхпроводящими кубитами управляют импульсами микроволновых фотонов через цепи с конденсаторами и джозефсоновскими переходами; линии проходят несколько температурных ступеней криостата, а шумы подавляются фильтрами и аттенюаторами на каждой ступени.

Почему это важно для масштабирования: число линий растёт вместе с числом кубитов, поэтому плотность и тепловыделение ввода-вывода - одно из главных инженерных ограничений роста процессоров.

Где встречается на USB.RU: IBM (управление, джозефсоновские переходы, микроволновые импульсы).

Кубитная связь (qubit link)

Физический канал, по которому квантовая информация передаётся между кубитами разных чипов или процессоров: в криогенных системах - микроволновые коаксиальные линии между криостатами, в фотонных - оптоволоконные каналы для запутанных фотонов. В отличие от классического линка, кубитная связь должна переносить именно квантовое состояние, поэтому её качество оценивают по сохранению запутанности и когерентности, а не только по скорости передачи.

Почему это важно для масштабирования: метрика «пар запутывания в секунду» становится такой же характеристикой системы, как тактовая частота у классического процессора.

Где встречается на USB.RU: IonQ - 1 кГц запутывания - компания заявляет это как самую высокую скорость квантового интерконнекта между кубитами среди всех платформ.