Современные квантовые вычисления на основе сверхпроводящих квбитов продолжают динамично развиваться, демонстрируя уникальные преимущества перед классическими вычислительными системами. Однако масштабирование таких систем сталкивается с целым рядом инженерных и физических препятствий: переполнение по частотам, усложнение проводки, ограничения в Packaging и другие проблемы, которые существенно затрудняют создание крупных монолитных квантовых процессоров. В этих условиях концепция распределенных квантовых вычислений приобретает особую актуальность, предлагая объединять несколько небольших квантовых устройств в единую вычислительную сеть, обеспечивая тем самым масштабируемость и универсальность всей системы. Ключевым элементом для реализации подобных распределенных архитектур является надежное и высокоточное выполнение двухкубитных вентилей между квбитами, расположенными на удаленных процессорах. Такие вентели необходимы для создания универсального набора операций, обеспечивающего применение любых квантовых алгоритмов и внедрение квантовой коррекции ошибок.
Однако создание высокофиделитных и прямых двухкубитных взаимодейстий между удаленными сверхпроводящими процессорами долгое время оставалось нерешенной задачей в квантовой инженерии. Традиционные подходы, основанные на передаче квантового состояния с использованием летящих фотонов или дополнительных вспомогательных резонаторов, были ограничены необходимостью держать целевой квбит в основном состоянии, что ограничивало возможность выполнения универсальных двухкубитных вентилей напрямую. Более того, ударные процессы передачи состояния зачастую страдают от нежелательных внешних возбуждений, которые ухудшают унитарность и точность операций. Новаторской работой в этом направлении стало реализация идеальных спутников - двухкубитных вентилей с максимальной энтанглевой способностью, позволяющих создавать полностью унитарные взаимодействия с высоким качеством и без дополнительных перегрузок на систему. В недавнем прорыве инженеры реализовали такие идеальные вентели между двумя удаленными сверхпроводящими квантовыми процессорами, расположенными на расстоянии в 30 сантиметров и соединенными сверхпроводящим коаксиальным кабелем.
Для обмена информацией и медиатора взаимодействия была использована 15-я модальная стоячая волна в длине этого кабеля, что позволило значительно снизить потери на стыках и повысить стабильность сигнала. Такая архитектура дает уникальное преимущество - отсутствие необходимости в дополнительных промежуточных кубитах или сложных схемах обратной связи, что значительно упрощает инженерное исполнение и снижает задержки в работе вентилей. Контроль над системой осуществляется с помощью управляемой кросс-резонансной (CR) методики, позволяющей при помощи специально настроенных микроволновых драйвов реализовать эффективное взаимодействие между удаленными кубитами. В ходе эксперимента были тщательно откалиброваны все параметры - частоты кубитов, амплитуды и частоты микроволновых сигналов, что позволило отменить нежелательные взаимодействия и повысить фиделити вентилей практически до рекордных значений. Результаты показывают, что CNOT-вентиль работает с временем выполнения всего 204 наносекунды и достигает фиделити порядка 99,15%, тогда как CZ-вентиль занимает 430 наносекунд с фиделити 98,03%.
Надежность и точность этих операций были подтверждены как квантовой процессной томографией, так и более современным и надежным методом кросс-энтропийного бенчмаркинга (XEB). Особенно важно, что типичные ошибки, присутствующие в двухкубитных операциях, обусловлены в основном потерями чистоты состояния, то есть влиянием внешних помех и шумов, а не структурными или аппаратными дефектами. Данная реализация идеальных спутников существенно превосходит по точности и эффективности аналогичные протоколы, основанные на передаче состояния или обратной связи, и является важным шагом в сторону масштабируемых распределенных квантовых систем. Для подтверждения настоящей энтанглевой природы созданных вентилей была проведена проверка нарушения неравенства Белла - классического критерия квантовой нелокальности, в котором полученный параметр значительно превысил классическую границу и приблизился к идеальному квантовому пределу. Подобные результаты свидетельствуют о реальном потенциале для использования этих вентилей в построении алгоритмов квантовой коррекции ошибок с высоким коэффициентом кодирования, а также в построении многомодульных квантовых сетей.
Из исследовательской точки зрения, успех данного подхода подкреплен тщательным теоретическим моделированием всей системы, включающим взаимодействие кубитов с несколькими модами стоячих волн в соединительном кабеле, а также проверкой минимизации паразитных взаимодейстий. Такое комплексное понимание и точная инженерная настройка системы повышают надёжность и качество реализации удалённых квантовых взаимодействий. В будущем можно ожидать развитие подобных систем с большими расстояниями и более сложными сетевыми топологиями, расширением числа модулей и интеграцией современных методов квантового управления и коррекции ошибок. Это может стать фундаментом для построения настоящих квантовых суперкомпьютеров, способных решать задачи, недоступные классической вычислительной технике. Кроме того, представленный метод отличается высокой инженерной эффективностью - отсутствием необходимости в реализации дополнительных квбитов, сложных систем обратной связи или длительных операций, что значительно уменьшает требования к аппаратному обеспечению и снижает задержки во времени.
Благодаря этому рост гибкости и масштабируемости подобных распределенных систем становится реально достижимым. Таким образом, реализация высокоточных идеальных спутников между удалёнными сверхпроводящими квантовыми процессорами не только представляет собой значимое техническое достижение, но и открывает новые перспективы развития квантовых вычислений в направлении практических масштабируемых и универсальных квантовых сетей. Соединение малых, высокоточных модулей в единую архитектуру путем прямого и эффективного взаимодействия - ключ к будущему квантовых технологий, где глобальные квантовые вычислительные платформы перестанут быть теоретическими концепциями и трансформируются в реальность с широким спектром применения в науке, криптографии, моделировании сложных физических систем и многом другом. Дальнейшие исследования и эксперименты, основанные на текущих результатах, позволят раскрыть новые методы усиления фиделити вентилей, улучшения способов управления квантовыми системами и обеспечения надежности работы в условиях реальных помех и шумов. Это особенно важно для интеграции квантовых процессоров в коммерческие и научно-исследовательские установки уровня промышленного масштаба.
В дополнение к этим перспективам, успех разработки также вдохновляет на создание гибридных архитектур с участием других платформ квантовых технологий и реализацию более сложных сетевых протоколов для квантового обмена информацией. В целом, быстрота и эффективность передачи квантовой информации по сверхпроводящим коаксиальным кабелям с высокой точностью открывает новые горизонты для межмодульного квантового взаимодействия в распределенных системах, способствуя реализации сверхмощных и масштабируемых квантовых процессоров следующего поколения. .
