Решётка трансмонов с перестраиваемыми элементами связи на панели карты: Решётка трансмонов

Архитектура в отчёте (§8.3)

8.3.1 Решётка трансмонов — Решётка трансмонов с перестраиваемыми элементами связи (sc)

Идея. Трансмон (transmon) — джозефсоновский переход, шунтированный ёмкостью; два его нижних уровня служат «голым» кубитом (enc_bare). Архитектура замощает трансмонами литографическую решётку (cx_nn), включает обмен между соседями элементами связи, перестраиваемыми потоком (g_tc), управляет ими из стоек при комнатной температуре (ct_rt), считывает их дисперсионно (ro_disp) и исправляет ошибки ротированным поверхностный код, чьи проверки веса 4 — собственные окрестности решётки. Схемный атом рисуют, а не находят: вентили длятся десятки наносекунд [G], а цикл QEC — 1.1 µs [D][1], самый быстрый такт карты (§7.4). Цена — когерентность (T₁ 68 µs на Willow [D][32]), одинаковость кубитов и любая связь дальше соседа. Ставка: скорость и изготовление на пластинах обгоняют бюджет ошибок; связи между чипами — позже.

Что ей нужно. Всё стоит на fab_sc: трансмон требует литографии переходов, поэтому разброс его частот фиксируется при изготовлении; у подстройки, которая его исправляет, технологии пока нет. Поверхностный код требует только проверок между соседями. Коды bivariate-bicycle держат 12 логических кубитов в 288 физических там, где поверхностный код нужны почти 3 000, но им нужен граф степени 6 [S][248]: code_qldpc требует дальних элементов связи (cx_lr) и конфликтует с cx_nn; конфликт открыт с 2024-03. Считывание и сброс — две трети выведенного раунда в 651 ns [S] (§7.4). Четыре технологии управления заменяют друг друга по отдельным сигналам, а не во всей машине сразу — на Heron r2 ASIC смещения потока на крио-КМОП работали в гибридной схеме с ВЧ-электроникой при комнатной температуре (март 2026) [C]. Оба холодных маршрута конфликтуют с трансмоном: крио-КМОП (ct_cryocmos) — по тепловому бюджету камеры смешения, БОК (быстрая одноквантовая логика, ct_sfq) — по квазичастицам: фотоны его переключений разрывают куперовские пары, 0.96(2)% из ошибки 1.2(1)% на клиффордов вентиль в 2023 [D][249]; подавление эффекта спрогнозировано, но независимо ещё не измерено. У кодирования один вариант; слот СВЧ-оптического преобразователя пуст.

Где она стоит. 78 из 184 машин реестра и 62 устройства (табл. 8.3): 39 в эксплуатации, 18 продемонстрированы, 7 выведены, 13 анонсированы или запланированы, 1 — прочее; строк у IBM — 16, у Китая — 18. Крупнейшее устройство с бенчмарком вентиля — IBM Quantum Osprey: 413 из его 433 кубитов были доступны в облаке четыре месяца 2023 года как пробная техническая демонстрация, с производительностью, которую IBM назвала сопоставимой с Eagle r1, и без опубликованной цифры вентиля помимо калибровки платформы [C][292]; крупнейший чип, IBM Quantum Condor (1 121 кубит), представленный в декабре 2023 года как «инновационная веха» и никогда не предложенный пользователям, — демонстратор масштаба, чей вентиль IBM лишь описала как сопоставимый с Osprey [C][292]. Лучшая ошибка двухкубитного вентиля, 1.0×10⁻³ на Origin Wukong-180 (4th gen), — цифра компании [C] (табл. 8.3); среднее по устройству у Willow — 99.88% [D][32]. Willow прогнал d=7 при Λ = 2.14 [D][1], затем — 7.72×10⁻⁴ за цикл (июль 2026) [D][2]; Zuchongzhi 3.2 — d=7 при Λ = 1.40 [D][3]. Слоты кода, декодера и межсоединения пусты у 54, 66 и 59 машин; 12 строк не публикуют механизм вентиля; документированы 327 из 843 ячеек свидетельств.

Исключения и заимствования. Ни одна машина не выпадает из слотов и не подходит лучше к другой архитектуре; направление несут альтернативы. Разводка уходит с края чипа (ct_vio) на RIKEN 64, RIKEN–Fujitsu 256, OQC Toshiko и QuantWare Bass-A10K (VIO-40K), стойки при этом остаются тёплыми; управление уходит в холод лишь частично или в малом масштабе: крио-КМОП потоковые ASIC в гибриде с комнатнотемпературным СВЧ на Heron r2 и как альтернатива на Starling и Blue Jay, БОК в пятикубитной системе SEEQC (только однокубитные вентили); проект QuamCore с управлением на БОК не внесён в реестр, пока компания не назовёт срок первого устройства. Sycamore и Zuchongzhi собирают кристаллы в стек (ic_multidie); модули (ic_mcm) поставляются только в Rigetti Cepheus, при 99.6%→99.1% [C][36]. Utility-линия IBM стоит в смягчении ошибок (code_mitig: Eagle, Heron r3, Nighthawk r2) и в их обнаружении (code_detect: Falcon, Heron r2/r3, Origin Wukong 3rd gen); qLDPC работает только на Kunlun. Номинальные члены архитектуры: Osprey, Eagle, Condor, Falcon и LBNL AQT используют кросс-резонанс (cross-resonance, g_cr), а не перестраиваемые элементы связи; цели (Amaravati, CSCS, KRISS 50); планы (от Kookaburra до Blue Jay, Fujitsu 10 000); стенды компонентов (элемент связи Toshiba, Loon); нераскрытые стеки (Tianyan-504, RIKEN–Fujitsu 256, Toshiko). Ячейки-пробелы показывают, что архитектура нарисована слишком узко: шина через центральный резонатор (IQM Star 24, VLQ, DRDO–TIFR), блоки удаления утечки (Willow, Zuchongzhi 3.2), подстройка частот после изготовления (Willow, Cepheus, Academia Sinica). Архитектура двухрельсовых кубитов заимствует transmon, ct_vio и ic_mcm; архитектура кошачьих кубитов — ic_multidie; спины — ct_cryocmos.

Следующая проверка. Ожидания до 31 марта 2028 (§5.2). Память bivariate-bicycle на c-couplers — Kookaburra или преемник Kunlun — сообщает логическую ошибку за цикл ниже собственной физической ошибки простоя; база — 8.91% у Kunlun [P][72]–[74]. Если Kookaburra снова не будет поставлен к концу 2027, ветвь qLDPC понижается и архитектура остаётся машиной поверхностный код с >10³ физических кубитов на логический при 10⁻⁶ [S] (§2.1). И — устройство с вентилями крупнее 433 кубитов с опубликованными двухкубитными ошибками плюс крио-КМОП- или БОК-управление ≥50 кубитами; если не появится ни то, ни другое и считывание останется около 10⁻², масштаб за счёт изготовления понижается до масштаба за счёт модулей.

Что говорят строители. Google считает, что сверхпроводниковые процессоры проще наращивать по глубине схем — один цикл занимает микросекунду, — а нейтральные атомы проще наращивать по числу кубитов [C][2], [9]; коммерчески значимые сверхпроводниковые машины компания ожидает к концу десятилетия, не называя числа кубитов [R][2], [9]. Rigetti рассчитывает примерно за три года выйти на системы около 1000 кубитов с точностью двухкубитных операций 99,9 %, собранные из чиплетов [R][61]. Fujitsu строит к 2030 финансовому году машину более чем на 10 000 физических и 250 логических кубитов [R][75], [76]. IBM выбрала qLDPC-код (код с разреженными проверками чётности, связывающими удалённые кубиты), потому что он исправляет ошибки не хуже поверхностного кода при вдесятеро меньшем числе кубитов [D][481]; первый модуль с qLDPC-памятью, Kookaburra, запланирован на 2026 год, а Starling — 100 млн операций на 200 логических кубитах — на 2029-й [R][481].

Машины этой архитектуры (реестр: 78, из них 62 устройств, 52 с вентилями). IBM — IBM Quantum Starling (запланирована, 22 000), IBM Quantum Condor (продемонстрирована, 1 121), IBM Quantum Osprey (выведена, 433), IBM Quantum Heron r2 (в эксплуатации, 156), IBM Quantum Heron r3 (ibm_pittsburgh) (в эксплуатации, 156), IBM Quantum Heron r1 (выведена, 133), IBM Quantum Eagle r1-r3 (выведена, 127), IBM Quantum Nighthawk r1 (в эксплуатации, 120), IBM Quantum Nighthawk r2 (в эксплуатации, 120), IBM Quantum Loon (продемонстрирована, 112), IBM Quantum Egret (выведена, 33), IBM Quantum Falcon r5.11 (выведена, 27), IBM Quantum Blue Jay (запланирована), IBM Quantum Cockatoo (запланирована), IBM Quantum Flamingo (l-coupler proof of concept) (продемонстрирована), IBM Quantum Kookaburra (запланирована); Beijing Academy of Quantum Information Sciences — Baihua (Quafu platform) (в эксплуатации, 156), ScQ-136 "Baiwang" (в эксплуатации, 136), Dongling (Quafu platform) (в эксплуатации, 130), Haituo (Quafu platform) (в эксплуатации, 117), Shenglian (BAQIS) (продемонстрирована, 84); IQM Quantum Computers — IQM Halocene (анонсирована, 150), IQM Emerald (IQM Crystal 54) (в эксплуатации, 54), IQM Star 24 (в эксплуатации, 24), IQM Garnet (IQM Crystal 20) (в эксплуатации, 20), IQM six-qubit star QPU (Deneb-class) (продемонстрирована, 6); Rigetti Computing — Rigetti Cepheus-1-108Q (в эксплуатации, 108), Rigetti Ankaa-2 (в эксплуатации, 84), Rigetti Ankaa-3 (в эксплуатации, 84), Rigetti Cepheus-1-36Q (в эксплуатации, 36), Rigetti Novera (в эксплуатации, 9); Google Quantum AI — Willow (продемонстрирована, 105), Sycamore-class 72-qubit processor (продемонстрирована, 72), Sycamore (выведена, 53); Origin Quantum — Origin Wukong-180 (4th gen) (в эксплуатации, 180), Origin Wukong 102 (в эксплуатации, 102), Origin Wukong (3rd gen) (в эксплуатации, 72); QuantWare — QuantWare Bass-A10K (VIO-40K) (анонсирована, 10 000), QuantWare Tenor-D64 (прочее, 64), QuantWare Contralto-A17 (в эксплуатации, 17); USTC / Hefei National Laboratory — Zuchongzhi 3.2 (продемонстрирована, 107), Zuchongzhi 3.0 (продемонстрирована, 105), Zuchongzhi 2.1 (выведена, 66); Korea Research Institute of Standards and Science — KRISS 50-qubit-class superconducting system (анонсирована, 50), KRISS domestic superconducting QPU (в эксплуатации, 20); QpiAI — QpiAI Kaveri (анонсирована, 64), QpiAI Indus (в эксплуатации, 25); RIKEN RQC + Fujitsu — RIKEN-Fujitsu 256-qubit superconducting quantum computer (в эксплуатации, 256), RIKEN RQC-Fujitsu 64-qubit superconducting quantum computer (в эксплуатации, 64); Academia Sinica — Academia Sinica 20-qubit superconducting quantum computer (продемонстрирована, 20); Anyon Systems — Anyon MonarQ (в эксплуатации, 24); Barcelona Supercomputing Center (Quantum Spain; installed by Qilimanjaro-GMV) — Quantum Spain quantum computer at BSC (в эксплуатации, 35); Basque Government (BasQ) - IBM-Euskadi Quantum Computational Center — IBM Quantum System Two, Donostia-San Sebastian (в эксплуатации, 156); CAS / Peking University — Zhuangzi 2.0 (Chuang-tzu 2.0) (продемонстрирована, 78); Chalmers University of Technology (WACQT) — WACQT quantum computer (Chalmers 25-qubit flip-chip processor) (продемонстрирована, 25); China Telecom Quantum Group + CAS + QuantumCTek — Tianyan-504 / "Xiaohong" chip (в эксплуатации, 504); China Telecom Quantum Group + QuantumCTek — Tianyan-176 / Tianyan-176 II (and Tianyan-24 sibling) (в эксплуатации, 66); China Telecom Quantum Group / QuantumCTek / CAS — Tianyan-287 (в эксплуатации, 105); DRDO DYSL-QT with TIFR and TCS — 6-qubit superconducting quantum processor (продемонстрирована, 6); ETH Zurich (Quantum Device Lab) — Surface-17 (продемонстрирована, 17); Fraunhofer-Gesellschaft — IBM Quantum System One, Ehningen (в эксплуатации, 27); Fujitsu (+ RIKEN) — Fujitsu 1 000-qubit machine (запланирована, 1 000); Fujitsu + AIST + RIKEN — Fujitsu >10 000 physical / ~250 logical (STAR) (анонсирована, 10 000); IBM with ETH Zurich (CSCS) and Lockheed Martin — IBM Quantum System Two at CSCS (Swiss Quantum Innovation Hub) (анонсирована, 120); IBM with TCS and the Government of Andhra Pradesh — IBM Quantum System Two at Amaravati Quantum Valley Tech Park (анонсирована, 156); IQM Quantum Computers with Instituto de Pesquisas Eldorado — IQM Spark at Eldorado Research Institute (анонсирована, 5); IT4Innovations National Supercomputing Center (VSB - Technical University of Ostrava) — VLQ (в эксплуатации, 24); Israeli Quantum Computing Center (Quantum Machines + QuantWare + Qolab + ORCA) — IQCC superconducting facility (в эксплуатации, 25); Lawrence Berkeley National Laboratory — Advanced Quantum Testbed (AQT) (в эксплуатации, 8); Oxford Quantum Circuits — OQC Toshiko (в эксплуатации, 32); Qolab — Qolab devices at the IQCC (в эксплуатации); RIKEN with AIST, NICT, Osaka University, Fujitsu, NTT — RIKEN 64-qubit superconducting processor (в эксплуатации, 64); SEEQC — SEEQC SFQ-controlled 5-qubit system (продемонстрирована, 5); SpinQ Technology — SpinQ Ursa Major (25 q / 103 q) (в эксплуатации, 25); Toshiba + RIKEN RQC + University of Tokyo — Toshiba double-transmon coupler (продемонстрирована, 2); Tsinghua University IIIS (D.-L. Deng) with Zhejiang University (H. Wang, C. Song groups) — Kunlun (продемонстрирована, 32); VTT Technical Research Centre of Finland — VTT Q50 (в эксплуатации, 50); Zhejiang University + Graduate School of China Academy of Engineering Physics (Beijing) — Zhejiang University 125-qubit surface-code processor (продемонстрирована, 125).

Ячейки вне слотов архитектуры (25). Academia Sinica 20-qubit superconducting quantum computer: L3 undisclosed там, где архитектура ожидает технологию; Academia Sinica 20-qubit superconducting quantum computer: L10 ∅G-calib (пробел Атласа — post-fabrication laser trimming tunes qubit frequencies (same slot as Rigetti ABAA / IQM P); Quantum Spain quantum computer at BSC: L3 undisclosed там, где архитектура ожидает технологию; Tianyan-504 / "Xiaohong" chip: L3 undisclosed там, где архитектура ожидает технологию; 6-qubit superconducting quantum processor: L3 undisclosed там, где архитектура ожидает технологию; 6-qubit superconducting quantum processor: L4 ∅G-bus (пробел Атласа — ring-resonator design invented at TIFR: qubits sit around one shared ring resonator used a); Fujitsu >10 000 physical / ~250 logical (STAR): L5 undisclosed там, где архитектура ожидает технологию; Fujitsu >10 000 physical / ~250 logical (STAR): L7 ∅G-analogrot (пробел Атласа — STAR: arbitrary-angle rotations by direct state injection, no distillation; 10⁴ q at p=1e-); Fujitsu 1 000-qubit machine: L3 undisclosed там, где архитектура ожидает технологию; Willow: L6 ∅G-lru (пробел Атласа — DQLR + 4 dedicated leakage-removal qubits in the 101-qubit d=7 patch; leakage rate not pub); Willow: L10 ∅G-calib (пробел Атласа — Snake optimiser splits ~3N-dim frequency problem; ~3.7× cycle-error suppression, mean cycl); IQM Halocene: L4 ∅G-bus (пробел Атласа — Constellation option: Star cells, each a central computational resonator giving all-to-all); IQM Star 24: L4 ∅G-bus (пробел Атласа — Star topology: central computational resonator bus giving all-to-all within the cell (degr); IQM six-qubit star QPU (Deneb-class): L4 ∅G-bus (пробел Атласа — star topology: all six qubits coupled only to the central computational resonator, effecti); VLQ: L3 undisclosed там, где архитектура ожидает технологию; VLQ: L4 ∅G-bus (пробел Атласа — star topology: 24 qubits connected to one central resonator, all-to-all through it); KRISS 50-qubit-class superconducting system: L3 undisclosed там, где архитектура ожидает технологию; OQC Toshiko: L3 undisclosed там, где архитектура ожидает технологию; Rigetti Cepheus-1-108Q: L10 ∅G-calib (пробел Атласа — ABAA (alternating-bias assisted annealing) post-fab JJ frequency targeting, 97.4% success ); Rigetti Cepheus-1-36Q: L10 ∅G-calib (пробел Атласа — ABAA (alternating-bias assisted annealing) post-fab JJ frequency targeting, 97.4% success ); RIKEN 64-qubit superconducting processor: L3 undisclosed там, где архитектура ожидает технологию; RIKEN-Fujitsu 256-qubit superconducting quantum computer: L3 undisclosed там, где архитектура ожидает технологию; RIKEN RQC-Fujitsu 64-qubit superconducting quantum computer: L3 undisclosed там, где архитектура ожидает технологию; SEEQC SFQ-controlled 5-qubit system: L3 undisclosed там, где архитектура ожидает технологию; Zuchongzhi 3.2: L6 ∅G-lru (пробел Атласа — all-microwave leakage-reduction units on data qubits; leakage population suppressed 72× to).