Kvantdatorer, system som utför beräkningar med hjälp av kvantmekaniska effekter, kan överträffa klassiska datorer i vissa optimerings- och informationsbehandlingsuppgifter. Eftersom dessa system påverkas starkt av brus måste de dock integrera strategier som minimerar de fel de producerar.
En föreslagen lösning för att möjliggöra feltolerant kvantberäkning över ett brett spektrum av operationer kallas magic state distillation. Denna metod består i att förbereda speciella kvanttillstånd (dvs. magiska tillstånd) som sedan kan användas för att utföra en universell uppsättning operationer. Detta möjliggör konstruktionen av en universell kvantdator – en enhet som på ett tillförlitligt sätt kan utföra alla operationer som krävs för att implementera vilken kvantalgoritm som helst.
Även om tekniker för magisk tillståndsdestillation kan ge goda resultat, förbrukar de vanligtvis ett stort antal felskyddade kvantbitar och behöver utföra många omgångar av felkorrigering. Detta har hittills begränsat deras potential för verkliga tillämpningar.
Forskare vid Alice & Bob och PSL University CNRS, Inria, introducerade nyligen unfolded distillation, ett alternativt protokoll som minskar de resurser som krävs för att förbereda magiska tillstånd. Det nyutvecklade protokollet, som beskrivs i en artikel publicerad på preprint-servern arXiv, visade sig möjliggöra förberedelse av magiska tillstånd med färre kvantbitar och färre operationer, förutsatt att kvantbitarna uppvisar en brusbias.
”Huvudmålet var att fastställa i vilken utsträckning vi kunde minska kostnaden för förberedelse av magiska tillstånd för en kvantbit-arkitektur med biasbrus”, berättade Diego Ruiz, författare till artikeln och doktorand vid Alice & Bob, för Phys.org. ”Magiska tillstånd är en viktig del av kvantberäkningar, eftersom de gör det möjligt för oss att implementera alla grindar som behövs för att utföra alla möjliga kvantalgoritmer. Det är känt att qubits med brusförskjutning, såsom cat-qubits, kan minska kostnaden för kvantminne avsevärt, men deras inverkan på kvantberäkningar med magiska tillstånd var mindre tydlig.”
I många tidigare studier visade sig förberedelsen av magiska tillstånd vara den mest resurskrävande aspekten av kvantberäkningar. Bias-noise-qubits är utformade för att förbättra hårdvaru effektiviteten genom att undertrycka en typ av kvantfel – bitflips, i fallet med Alice & Bobs cat-qubits. Det huvudsakliga målet för det senaste arbetet av Ruiz och hans kollegor var att utforma ett system som utnyttjar ett kvantsystems brusbias för att minska overheadkostnaden för förberedelse av magiska tillstånd, och som också kan tillämpas i praktiska miljöer med 2D-qubit-layouter och realistiska felfrekvenser.
Resurser som behövs för förberedelse av magiska tillstånd med Alice & Bobs brusförvrängda kattqubits jämfört med de nuvarande ledande systemen, som använder icke-förvrängda qubits. Källa: Ruiz et al.
”Vi introducerar en metod som kallas unfolded distillation som minskar kostnaden för förberedelse av magiska tillstånd både i tid och rum”, förklarade Ruiz. ”Magic state distillation är ett av de primära sätten att förbereda magiska tillstånd, men eftersom det fungerar på logisk nivå är det mycket kostsamt. Vår konstruktion kör istället destillering på fysisk nivå och utnyttjar det faktum att bias-noise-qubits eliminerar behovet av vissa felkontroller.”
Den felkorrigerande kod som används av de flesta tekniker för magisk destillering är den så kallade Reed-Muller-koden. Detta är en kod som ursprungligen utformades för klassiska datorsystem men som senare anpassades för kvantfelkorrigering.
”Reed-Muller-koden kräver en 3D-arkitektur för kvantbitar utan brusförskjutning, vilket är mycket svårt att implementera i praktiken”, säger Ruiz.
”Denna kod kan veckas ut i 2D när man arbetar med kvantbitar med brusförskjutning, som Alice & Bob gör. Denna utfolding gör det till exempel möjligt för oss att förbereda högkvalitativa magiska tillstånd med endast cirka 53 kvantbitar och cirka 5,5 omgångar felkorrigering vid mycket högt brus.”
När forskarna simulerade sitt föreslagna protokoll fann de att det uppnådde en logisk felfrekvens på cirka 10⁻⁷ med över en storleksordning färre kubitcykler än de senaste schemana för partiska och opartiska brus-kubiter. Protokollet fungerar också med två-kubitgrindar arrangerade i en 2D-konfiguration, vilket innebär att det är kompatibelt med nuvarande hårdvaruarkitekturer, såsom de som baseras på supraledande kubiter och kattkubiter.
I framtiden kan det utvecklade destillationsprotokollet bidra till att minska storleken och kostnaden för de system som krävs för att förbereda magiska tillstånd. Detta kan i sin tur bidra till att förbättra prestandan och tillförlitligheten hos kvantdatorsystem.
”Vårt protokoll för oss närmare hårdvarueffektiv, feltolerant kvantberäkning för plattformar som supraledande cat-qubits”, tillade Ruiz. ”Det finns flera intressanta riktningar att utforska härnäst. En är att driva schemat till ännu högre trohet genom att öka kodavståndet, så att det kan användas fristående utan sammankoppling med de vanliga destillationsprotokollen. En annan skulle kunna vara att förbereda magiska tillstånd för att implementera Toffoli-grinden direkt, vilket är mycket användbart i vissa algoritmer.”
Mer information: Diego Ruiz et al, Unfolded distillation: very low-cost magic state preparation for biased-noise qubits, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2507.12511
