Квантовый компьютер — как оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, но малейшая фальшь рушит симфонию. Физические кубиты, из которых он строится, шумят и ошибаются. Чтобы защитить вычисления, их объединяют в логические кубиты с помощью квантовой коррекции ошибок. Традиционный подход — поверхностный код — надёжен, но расточителен: на один логический кубит уходят сотни физических. Квантовые LDPC-коды обещают больше, но их трудно реализовать из-за сложных связей. Новая работа предлагает выход — велосипедную архитектуру, где модули соединяются дальними связями, как дирижёрские палочки, дотягивающиеся до дальних инструментов.

В основе лежат двумерные бициклические коды — кубиты и проверки размещены на торе, а каждая проверка дополнительно связана с двумя удалёнными кубитами. Для кода gross (144 физических кубита, 12 логических, расстояние 12) и two-gross (288, 12, 18) построены явные схемы измерения синдромов, логические операции через деформацию кода — квантовую хирургию, и впрыскивание T-состояний из фабрик. Отказоустойчивость проверялась моделированием схемного шума с вероятностью ошибки p. При p=10⁻³ логическая ошибка холостого хода для gross составила 10⁻⁸·⁸, а для two-gross — 10⁻²⁰·¹. Это на много порядков ниже, чем у поверхностного кода сравнимого расстояния.

Сквозные оценки для случайных схем и симуляции модели Изинга с поперечным полем показали: при 5 тысячах физических кубитов и p=10⁻³ велосипедная архитектура выполняет в 10 раз больше логических операций, чем поверхностный код. Для модели Изинга достаточно 8138 кубитов при p≈7×10⁻⁴ против 58–73 тысяч у поверхностного кода. Это первая сквозная демонстрация того, что модульность и дальние связи дают выигрыш на порядок по числу логических кубитов без ухудшения надёжности.

Перспективы связаны с улучшением межмодульных измерений, чьи логические ошибки сейчас ограничивают общую производительность. Возможны новые конструкции адаптеров, оптимизация декодера и параллельные измерения. Другое направление — увеличение расстояния кодов: семейство бициклических кодов допускает масштабирование, а также использование других кодов с малой плотностью проверок, вплоть до кодов с постоянной скоростью. Наконец, можно улучшить фабрики магических состояний, используя дальние связи для культивации или дистилляции. Велосипедная архитектура задаёт новые стандарты для проектирования квантовых процессоров, особенно сверхпроводящих, где дальние связи уже демонстрируются, и для компиляторов.