На Origin Wukong испытали когерентный маршрутизатор для квантовой памяти QRAM

Квантовая память произвольного доступа — QRAM (quantum random-access memory) — должна позволять квантовому алгоритму обращаться к данным, не разрушая их квантовое состояние. Одно из главных препятствий здесь — направить состояние по выбранному квантовым адресом пути и сохранить когерентность. Команда Origin Quantum, Университета науки и технологий Китая и партнёров показала такой базовый механизм на сверхпроводящем процессоре Origin Wukong в Хэфэе.19

Это не демонстрация готовой большой QRAM, а экспериментальная проверка ключевого узла: квантовая информация проходила через физическую сеть маршрутизаторов, а направление определял квантовый адрес.

Что именно удалось показать

Авторы реализовали когерентный, детерминированный и обратимый квантовый маршрутизатор для модели bucket-brigade QRAM — «эстафетной» архитектуры с древовидной структурой. В отличие от схемы, где выбор пути имитируется классическим управляющим сигналом, здесь квантовое состояние направлялось реальными аппаратными элементами маршрутизации.1

Три независимо откалиброванных маршрутизатора объединили в двухуровневое бинарное дерево: маршрутизатор первого уровня направлял состояние к одному из двух маршрутизаторов второго уровня. Такая сеть минимальна по размеру, но уже демонстрирует настоящее ветвление в каскадной структуре, а не работу одного изолированного узла.19

Какие показатели получили

Важно не смешивать два разных показателя:

• эффективность передачи — дошла ли информация от входа к выходу;
• точность случайного доступа — насколько верно на выходе восстановлено требуемое квантовое состояние.

Конфигурация	Эффективность передачи	Точность случайного доступа
Один маршрутизатор	до 98%	95,74% в одном тесте; в других сообщениях приводится среднее около 94,8%17
Каскадная сеть из двух уровней	около 93%	в среднем 82,4%17

Разрыв между результатами одного устройства и двухуровневой сети принципиален. Передача остаётся высокой, однако при прохождении через несколько управляемых операций накапливаются ошибки — это видно по снижению точности.1

Зачем маршрутизатору третий уровень

Обычно трансмон в сверхпроводящей схеме используют как двухуровневый кубит. В этом эксперименте задействован и вспомогательный энергетический уровень: фактически маршрутизатор работает как кутрит, то есть трёхуровневая квантовая система. Микроволновые импульсы создают условные взаимодействия, которые отправляют входящее состояние по одному из двух путей.1

Исследователи применили подход с составными переходными гейтами. Его задача — не раскладывать операцию маршрутизации в длинную последовательность обычных одно- и двухкубитных гейтов. Чем глубже схема, тем больше ошибок управления успевает накопиться и тем дольше действует декогеренция, разрушающая квантовое состояние.1

Как схема отфильтровывает часть ошибок

Адрес кодируется в несоседних состояниях кутрита: |0⟩ и |2⟩. Промежуточное состояние |1⟩ для адреса не используется и может служить индикатором утечки или некоторых ошибок управления. Если измерение обнаруживает такой «флаг», соответствующий запуск отбрасывается при постселекции.1

Это полезное средство смягчения ошибок для современных устройств: оно повышает качество оставшихся результатов без большого числа дополнительных кубитов для коррекции. Но это не детерминированная коррекция ошибок: отбрасывание запусков снижает долю пригодных результатов. Поэтому постселекция не может заменить отказоустойчивую квантовую коррекцию в масштабной системе.1

Почему масштабирование остаётся трудной задачей

Переход от двух уровней маршрутизации к четырём или восьми не сводится к простому повторению уже показанной схемы. Bucket-brigade QRAM представляет собой бинарное дерево: при глубине d ему требуется примерно 2^d конечных ячеек памяти и 2^d − 1 узлов маршрутизации. В исходной модели такие узлы являются кутритами.

Для более крупного дерева нужны не только дополнительные устройства. Потребуются надёжная калибровка множества маршрутизаторов, подходящая связность на чипе, жёсткая синхронизация микроволновых импульсов, контроль перекрёстных помех и утечек, а также сохранение когерентности на более длинных путях. Каждый новый уровень усиливает последствия несовершенства отдельных операций — что уже отражает разница между точностью одного маршрутизатора и двухуровневой сети.1

Есть и фундаментальный инженерный компромисс. У bucket-brigade QRAM время запроса растёт логарифмически, однако объём аппаратных ресурсов остаётся порядка O(N) для N ячеек памяти. Очень большая система поэтому потребует значительной физической инфраструктуры.

Важная веха, но не «квантовая память на продажу»

Эксперимент на Origin Wukong следует воспринимать как системную демонстрацию когерентного, обратимого и адресно-управляемого перемещения квантовой информации на сверхпроводящем оборудовании. Он показывает, что отдельные маршрутизаторы можно каскадировать в реальную ветвящуюся сеть — необходимый элемент bucket-brigade QRAM.19

При этом работа не означает, что практическая крупномасштабная QRAM уже готова к внедрению. Для этого нужны намного больше аппаратных ресурсов, существенно меньшие суммарные ошибки, масштабируемые системы управления и считывания, а также отказоустойчивость. Пока это убедительный шаг к квантовой маршрутизации памяти — и одновременно наглядное подтверждение масштаба ещё не решённых инженерных задач.1