DOI: https://doi.org/10.1103/kfy3-bwgr
تاريخ النشر: 2026-02-17
المؤلف: Haonan Xiong وآخرون
الموضوع الرئيسي: معلومات الكم والتشفير
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لتعزيز الاتصال في أنظمة الكيوبتات الفائقة التوصيل من خلال تنفيذ موصلات غير محلية على الشريحة. من خلال استخدام رسم بياني متصل على شكل شجرة ثنائية، يقلل التصميم المقترح بشكل كبير من متوسط مسافة تشابك الكيوبتات من $O(N)$ إلى $O(\log N)$، مما يحقق تحسينات كبيرة في الاتصال مع تقليل التداخل. تظهر النتائج التجريبية أن الموصل يمكنه بنجاح تشابك كيوبتين من نوع فلوكسونيوم على مسافة 11.4 مم مع موثوقية بوابة التحكم في الطور (CZ) تبلغ 99.37%، مع الحفاظ على معدل ZZ ثابت منخفض يبلغ 144 هرتز دون الحاجة إلى إلغاء نشط.
تتناول هذه التقدمات قيود الاتصال في الأجهزة الفائقة التوصيل الحالية، مما يضع الموصل غير المحلي المقترح كحل قابل للتطبيق لتنفيذ رموز تصحيح الأخطاء الكمومية المتقدمة، مثل رموز التحقق من التوازي منخفض الكثافة الكمومية (qLDPC). تشير النتائج إلى أن هذا التصميم القابل للتوسع لا يعزز فقط الاتصال الدائري ولكن يفتح أيضًا آفاقًا لتنفيذ خوارزميات كمومية جديدة، مما يعزز الميزة التنافسية لأنظمة الكيوبتات الفائقة التوصيل في مجال الحوسبة الكمومية.
مقدمة
تناقش المقدمة أهمية اتصال الدوائر الكمومية في التقدم من عصر الكم المتوسط الضجيج (NISQ) إلى الحوسبة الكمومية المقاومة للأخطاء. تسلط الضوء على قيود الرموز السطحية التقليدية، وخاصة معدلات الترميز المنخفضة، وتناقض ذلك مع مزايا رموز التحقق من التوازي منخفض الكثافة الكمومية (qLDPC)، التي تتطلب عددًا أقل بكثير من الكيوبتات الفيزيائية للتنفيذ على نطاق واسع. يؤكد النص على التحديات التي تواجه الدوائر الفائقة التوصيل، التي تم تصميمها أساسًا لتوصيل الجيران الأقرب، في تحقيق التشابك غير المحلي اللازم للشبكات الكمومية القابلة للتوسع.
لمعالجة هذه القضايا المتعلقة بالاتصال، يقترح المؤلفون مخططًا جديدًا يستخدم موصلات غير محلية لزوجين من الكيوبتات ورسم بياني متصل على شكل شجرة ثنائية، يُطلق عليه اسم شجرة معالجة التشابك الثنائية (BEAT). يسمح هذا النهج بتشابك أزواج الكيوبتات باستخدام بوابات $O(\log N)$، مما يقلل بشكل كبير من عدد البوابات المطلوبة مقارنةً بالطرق التقليدية. يقدم المؤلفون نموذجًا أوليًا لموصل غير محلي، يظهر موثوقية عالية وتداخل منخفض، مما يضع طريقتهم كحل تنافسي لتعزيز اتصال الكيوبتات في الدوائر الفائقة التوصيل. تشير النتائج إلى أن هذا التصميم المبتكر يمكن أن يسهل المعالجات الكمومية القابلة للتوسع القادرة على الاتصالات بين الشرائح، مما يعزز مجال الحوسبة الكمومية.
نقاش
في هذا القسم، يقدم المؤلفون تصميم شجرة معالجة التشابك الثنائية (BEAT)، الذي يعزز بشكل كبير اتصال الدوائر في الأنظمة الكمومية من خلال استخدام موصلات غير محلية. يحول تصميم BEAT سلسلة الكيوبتات أحادية البعد إلى هيكل شجرة ثنائية، مما يسمح بتقليل كبير في متوسط مسافة التشابك من $O(N)$ في التكوينات التقليدية للجيران الأقرب إلى $O(\log N)$ في تكوين BEAT. يمكّن هذا التحسين من الاتصال “الجميع إلى الجميع” بين الكيوبتات في $O(\log N)$ خطوات، مما يسهل التشابك الفعال عبر مسافات أكبر. يناقش المؤلفون أيضًا تنفيذ رموز عنوان ثنائية فريدة للكيوبتات، مما يساعد في تحديد أدنى سلف مشترك في مسار التشابك، مما يعزز الاتصال بشكل أكبر.
يتم تسليط الضوء على قابلية توسيع تصميم BEAT، حيث يمكن تمديده إلى شبكات ثنائية الأبعاد مع الحفاظ على الاتصال اللوغاريتمي. يؤكد المؤلفون على المزايا العملية لهذا التصميم، مثل توزيع حمل الموصل بين الكيوبتات وتقليل تداخل التردد، مما يعزز جدوى الدوائر الكمومية على نطاق واسع. بالإضافة إلى ذلك، يتم الإشارة إلى توافق التصميم مع تقنيات التصنيع المتقدمة، مثل طرق الشريحة القابلة للتبديل، وقدرته على تنفيذ بوابات متوازية كفوائد كبيرة. تختتم المناقشة بالنظر في التحديات المحتملة، مثل عطل الكيوبت، وتقترح استراتيجيات لتعزيز المتانة والاتصال في التنفيذات المستقبلية. بشكل عام، يمثل تصميم BEAT تقدمًا واعدًا في السعي نحو هياكل الحوسبة الكمومية القابلة للتوسع.
DOI: https://doi.org/10.1103/kfy3-bwgr
Publication Date: 2026-02-17
Author(s): Haonan Xiong et al.
Primary Topic: Quantum Information and Cryptography
Overview
The research presents a novel approach to enhancing connectivity in superconducting qubit systems through the implementation of on-chip non-local couplers. By utilizing a binary-tree connecting graph, the proposed design significantly reduces the average qubit entangling distance from $O(N)$ to $O(\log N)$, thereby achieving exponential connectivity improvements while minimizing crosstalk. The experimental results demonstrate that the coupler can successfully entangle two fluxonium qubits over a distance of 11.4 mm with a controlled-phase (CZ) gate fidelity of 99.37%, while maintaining a low static ZZ rate of 144 Hz without the need for active cancellation.
This advancement addresses the connectivity limitations of current superconducting devices, positioning the proposed non-local coupler as a viable solution for implementing advanced quantum error correction codes, such as quantum low-density parity-check (qLDPC) codes. The findings indicate that this scalable design not only enhances circuit connectivity but also opens avenues for executing novel quantum algorithms, thereby strengthening the competitive edge of superconducting qubit systems in the realm of quantum computing.
Introduction
The introduction discusses the significance of quantum circuit connectivity in advancing from the Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) era to fault-tolerant quantum computing. It highlights the limitations of traditional surface codes, particularly their low encoding rates, and contrasts this with the advantages of quantum low-density parity-check (qLDPC) codes, which require significantly fewer physical qubits for large-scale implementations. The text emphasizes the challenges faced by superconducting circuits, which are primarily designed for nearest-neighbor coupling, in achieving non-local entanglement necessary for scalable quantum networks.
To address these connectivity issues, the authors propose a novel scheme that utilizes two-qubit non-local couplers and a binary tree connecting graph, termed the Binary Entanglement Addressing Tree (BEAT). This approach allows for entangling qubit pairs with $O(\log N)$ gates, significantly reducing the number of required gates compared to traditional methods. The authors present a prototype of a non-local coupler, demonstrating high fidelity and low crosstalk, which positions their method as a competitive solution for enhancing qubit connectivity in superconducting circuits. The results indicate that this innovative design could facilitate scalable quantum processors capable of inter-chip connections, thereby advancing the field of quantum computing.
Discussion
In this section, the authors introduce the Binary Entanglement Addressing Tree (BEAT) layout, which significantly enhances circuit connectivity in quantum systems through the use of non-local couplers. The BEAT layout transforms a one-dimensional qubit chain into a binary tree structure, allowing for a dramatic reduction in the average entangling distance from $O(N)$ in traditional nearest-neighbor configurations to $O(\log N)$ in the BEAT configuration. This improvement enables “all-to-all” connectivity among qubits within $O(\log N)$ steps, facilitating efficient entanglement across larger distances. The authors also discuss the implementation of unique binary address codes for qubits, which aids in identifying the lowest common ancestor in the entanglement path, further optimizing connectivity.
The BEAT layout’s scalability is highlighted, as it can be extended to two-dimensional grids while maintaining logarithmic connectivity. The authors emphasize the practical advantages of this design, such as distributing the coupler load among qubits and minimizing frequency crowding, which enhances the feasibility of large-scale quantum circuits. Additionally, the layout’s compatibility with advanced fabrication techniques, such as flip-chip methods, and its ability to execute parallel gates are noted as significant benefits. The discussion concludes with a consideration of potential challenges, such as qubit malfunctioning, and suggests strategies for enhancing robustness and connectivity in future implementations. Overall, the BEAT layout represents a promising advancement in the quest for scalable quantum computing architectures.