Origin Wukong показав когерентну квантову маршрутизацію для QRAM

Квантову оперативну пам’ять — QRAM (quantum random-access memory) — часто розглядають як спосіб когерентно звертатися до даних у квантових алгоритмах. Головна складність полягає не в самій ідеї адреси, а у створенні мережі, яка скеровує квантовий стан потрібним шляхом і водночас не руйнує його.

Дослідники з Origin Quantum, Університету науки і технологій Китаю та партнерських установ продемонстрували такий базовий механізм на надпровідниковому процесорі Origin Wukong у Хефеї. Квантова інформація проходила через фізичну мережу маршрутизаторів, а шлях визначався квантовою адресою.19

Що саме вдалося продемонструвати

Команда створила когерентний, детермінований і оборотний квантовий маршрутизатор для моделі QRAM типу bucket-brigade («ланцюг передавання»). Це не класично керована імітація вибору маршруту: фізичні елементи маршрутизатора спрямовували квантовий стан відповідно до адреси.1

Три незалежно відкалібровані маршрутизатори об’єднали у двошарове бінарне дерево. Маршрутизатор першого рівня спрямовував стан до одного з двох маршрутизаторів другого рівня. Така схема важлива тому, що це найменша конфігурація, у якій справді відбувається розгалуження в каскадній мережі.19

Які показники отримали

Варто не плутати два вимірювання:

• ефективність передавання показує, чи дійшла інформація від входу до виходу;
• точність довільного доступу показує, наскільки точно вдалося відновити потрібний квантовий стан.

Конфігурація	Ефективність передавання	Точність довільного доступу
Один маршрутизатор	до 98%	95,74% в одному тесті; в інших повідомленнях — близько 94,8% у середньому17
Двошарова каскадна мережа	близько 93%	82,4% у середньому17

Різниця між результатами для одного вузла та двох шарів є показовою. Інформація все ще проходить мережею з високою ефективністю, однак точність у двошаровій конфігурації нижча: помилки накопичуються, коли стан має послідовно пройти кілька керованих операцій маршрутизації.1

Як працює надпровідниковий маршрутизатор

У звичайних надпровідникових схемах трансмон зазвичай використовують як дворівневий кубіт. Тут залучили ще один енергетичний рівень, тобто фактично перетворили маршрутизатор на кутрит — трирівневу квантову систему. Мікрохвильові імпульси реалізують умовні взаємодії, що спрямовують вхідний квантовий стан одним із двох шляхів.1

Автори застосували підхід із композитними вентилями переходів. Його мета — не розкладати маршрутизацію на довгу послідовність стандартних одно- та двокубітних вентилів. Менша глибина схеми принципова: довші обчислення накопичують більше похибок керування і дають декогеренції більше часу, щоб пошкодити стан.1

Як відсіюють частину помилок

Адресну інформацію кодували в не-сусідніх станах кутрита — |0⟩ і |2⟩. Проміжний, невикористаний стан |1⟩ може сигналізувати про певні витоки стану або помилки керування. Запуски, де з’являється такий сигнал, відкидають за допомогою постселекції.1

Це практичний метод пом’якшення помилок для нинішнього покоління пристроїв: він може поліпшити якість прийнятих результатів без великої кількості додаткових кубітів для корекції. Водночас це не детермінована корекція помилок. Відбраковування запусків зменшує корисну частку успішних результатів, тому постселекція не може замінити відмовостійку квантову корекцію в масштабній системі.1

Чому масштабування все ще складне

Перехід від двох рівнів маршрутизації до чотирьох чи восьми не зводиться до простого повторення вже показаної схеми. Архітектура bucket-brigade має форму бінарного дерева: на глибині d їй потрібно приблизно 2^d кінцевих комірок пам’яті та 2^d − 1 вузлів маршрутизації. Початкова концепція цієї архітектури передбачає кутрити у вузлах дерева.

Для більшого дерева знадобляться не просто додаткові пристрої, а надійне калібрування багатьох маршрутизаторів, відповідна топологія з’єднань на чипі, точно синхронізовані мікрохвильові імпульси, контроль перехресних завад і витоків, а також збереження когерентності на довших шляхах. Кожен новий шар додає похибки — тенденція вже помітна за розривом між точністю одного маршрутизатора та двошарової мережі.1

Є й архітектурний компроміс. Для bucket-brigade QRAM характерний логарифмічний час запиту, проте просторові вимоги залишаються O(N) для N комірок пам’яті. Тож дуже великі реалізації будуть вимогливими до апаратних ресурсів.

Важливий етап, але не комерційна QRAM

Експеримент на Origin Wukong варто сприймати як системну демонстрацію когерентного, оборотного та керованого адресою переміщення квантової інформації на надпровідниковому обладнанні. Він показує, що окремо створені маршрутизатори можна об’єднати в реальну мережу з розгалуженням — ключову вимогу для QRAM архітектури bucket-brigade.19

Водночас робота не означає, що велика практична QRAM уже готова до впровадження. Для цього знадобляться значно більша апаратна база, набагато менші накопичені помилки, масштабовані системи керування та зчитування, а також відмовостійкість. Наразі це вагомий експериментальний крок у розвитку квантової маршрутизації пам’яті — і водночас наочне свідчення масштабу інженерних проблем, що залишилися.1