DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6
تاريخ النشر: 2026-01-30
المؤلف: Ilya S. Besedin وآخرون
الموضوع الرئيسي: خوارزميات وهندسة الحوسبة الكمومية
نظرة عامة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون أهمية تصحيح الأخطاء الكمية لتقدم الحوسبة الكمية، لا سيما في تحقيق تحمل الأخطاء مع الكيوبتات المنطقية. يسلطون الضوء على التقدم التجريبي الأخير الذي أدى إلى انخفاض معدلات الخطأ في الحفاظ على حالة كيوبت منطقي واحد. ومع ذلك، من الضروري للحوسبة الكمية العملية أن تكون هذه الكيوبتات المنطقية قادرة على التداخل والتلاعب من خلال عمليات البوابة.
تقدم الورقة الجراحة الشبكية كطريقة قابلة للتطبيق لتنفيذ مثل هذه العمليات البوابة ضمن هياكل المعالجات الكمية المسطحة. يوضح المؤلفون هذه التقنية من خلال إجراء جراحة شبكية بين كيوبتين من كود التكرار ذو المسافة الثلاث، تم تحقيقها عن طريق تقسيم كيوبت واحد من كود السطح ذو المسافة الثلاث. من خلال استخدام دائرة كمية مصممة لتكون مقاومة للأخطاء ضد أخطاء قلب البت، يعلنون عن تحسين في الملاحظات المنطقية للكيوبتين ZZ مقارنة بدائرة غير مشفرة. تمهد هذه العمل الطريق لعمليات الجراحة الشبكية المستقبلية على أكواد ذات مسافات أكبر باستخدام الدوائر الفائقة التوصيل، مما يعزز مجال تصحيح الأخطاء الكمية.
نقاش
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تنفيذ الجراحة الشبكية على كود السطح ذو المسافة الثلاث، مع التركيز على ترميز الكيوبتات المنطقية ضمن شبكة مربعة من الكيوبتات البيانية. تتكون الشبكة من شبكة ثلاثية الأبعاد من الكيوبتات البيانية وثمانية مثبتات، مع تحقيق تصحيح الأخطاء من خلال قياسات مثبتة متكررة. تمكن تقنية الجراحة الشبكية من إجراء عمليات مقاومة للأخطاء على عدة كيوبتات منطقية مع الحفاظ على ترتيب ثنائي الأبعاد للكيوبتات. يوضح المؤلفون عملية تقسيم تربط بين كيوبتين منطقيتين مشفرتين باستخدام أكواد تكرار قلب البت، مما يبرز تحمل البروتوكول للأخطاء ضد قلب البت، على الرغم من أن أخطاء قلب الطور تبقى غير قابلة للاكتشاف.
تظهر النتائج التجريبية أن عملية تقسيم الشبكة تحول بنجاح درجة حرية منطقية واحدة إلى درجتين متميزتين، حيث تتأثر الملاحظات المنطقية بنتائج قراءة الكيوبتات المساعدة. يعلن المؤلفون عن تحسينات كبيرة في موثوقية حالة بيل المعدة بين الكيوبتات المنطقية، محققين موثوقية بعد الاختيار تبلغ 0.780(6). كما يقومون بتوصيف تأثيرات العملية على حالات منطقية عشوائية، مما يوضح قابلية البروتوكول للتكيف لإعداد حالات سحرية مشوشة. تؤكد النتائج على إمكانيات الجراحة الشبكية لتعزيز تحمل الأخطاء في الحوسبة الكمية، مما يمهد الطريق للتجارب المستقبلية التي يمكن أن تعالج كل من أخطاء قلب البت وأخطاء قلب الطور بشكل فعال.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6
Publication Date: 2026-01-30
Author(s): Ilya S. Besedin et al.
Primary Topic: Quantum Computing Algorithms and Architecture
Overview
In this section, the authors discuss the significance of quantum error correction for the advancement of quantum computing, particularly in achieving fault tolerance with logical qubits. They highlight recent experimental progress that has led to low error rates in preserving a single logical qubit’s state. However, for practical quantum computation, it is essential that these logical qubits can be entangled and manipulated through gate operations.
The paper introduces lattice surgery as a viable method for implementing such gate operations within planar quantum processor architectures. The authors demonstrate this technique by performing lattice surgery between two distance-three repetition-code qubits, achieved by splitting a single distance-three surface-code qubit. By employing a quantum circuit designed to be fault-tolerant against bit-flip errors, they report an enhancement in the decoded ZZ logical two-qubit observable compared to a non-encoded circuit. This work lays the groundwork for future lattice-surgery operations on larger-distance codes utilizing superconducting circuits, thereby advancing the field of quantum error correction.
Discussion
In this section, the authors discuss the implementation of lattice surgery on a distance-three surface code, focusing on the encoding of logical qubits within a square lattice of data qubits. The lattice consists of a three-by-three grid of data qubits and eight stabilizers, with error correction achieved through repeated stabilizer measurements. The lattice surgery technique enables fault-tolerant operations on multiple logical qubits while maintaining a two-dimensional qubit arrangement. The authors demonstrate a split operation that entangles two logical qubits encoded with bit-flip repetition codes, highlighting the protocol’s fault tolerance against bit-flip errors, although phase-flip errors remain undetectable.
The experimental results show that the lattice split operation successfully transforms a single logical degree of freedom into two distinct degrees, with the logical observables being affected by the readout outcomes of auxiliary qubits. The authors report significant improvements in the fidelity of the Bell state prepared between the logical qubits, achieving a postselected fidelity of 0.780(6). They also characterize the operation’s effects on arbitrary logical states, demonstrating the protocol’s adaptability for preparing noisy magic states. The findings underscore the potential of lattice surgery for enhancing fault tolerance in quantum computing, paving the way for future experiments that could address both bit-flip and phase-flip errors effectively.