Источник: ScienceDaily
Квантовые компьютеры по-прежнему крайне уязвимы к ошибкам и малейшим внешним помехам. Чем дольше выполняется квантовая операция, тем больше времени накапливается для возникновения сбоев. Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции разработали метод, позволяющий выполнять широкий спектр сложных квантовых операций более чем в тысячу раз быстрее. Этот прорыв устраняет серьёзное препятствие в данной области и может приблизить создание отказоустойчивых квантовых вычислений.
В перспективе квантовые компьютеры способны изменить такие сферы, как разработка лекарств, энергетические технологии, криптография, искусственный интеллект и логистика. Однако для этого машинам необходимо стать значительно надёжнее. Основная проблема заключается в том, что квантовые вычисления могут нарушаться из-за чрезвычайно слабых воздействий окружающей среды. Электрические шумы, космическое излучение и перегрев способны вносить ошибки в процессе обработки информации. Обычные компьютеры тоже подвержены сбоям, но за десятилетия развития для них созданы надёжные методы коррекции, позволяющие быстро обнаруживать и исправлять ошибки. Квантовые системы защитить гораздо сложнее, поскольку используемая в них информация исключительно хрупка.
«Базовые элементы квантовых компьютеров, известные как кубиты, настолько чувствительны, что даже малейшее возмущение может привести к отклонению квантового состояния от целевого и потере информации. Если до момента коррекции накопится слишком много ошибок, вычисление может завершиться неудачей», — приводит слова Лея Ду, исследователя в области прикладной квантовой физики Технологического университета Чалмерса и ведущего автора теоретической работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Для повышения устойчивости квантовых вычислений и достижения отказоустойчивости учёные изучают новые способы защиты квантовой информации от ошибок. Один из перспективных подходов основан на так называемых бозонных квантовых кодах. Вместо того чтобы закреплять квантовую информацию за отдельными кубитами, этот метод сохраняет её в микроволновых полях внутри сверхпроводящих схем. «Бозонные коды кодируют информацию в микроволновых полях, существующих в сверхпроводящих цепях, а не в отдельных кубитах. Этот подход, как показано, обеспечивает более надёжную защиту от определённых типов ошибок», — поясняет Танъю Хуан, исследователь в области квантовых технологий Чалмерса и соавтор работы.
Работа с бозонными квантовыми кодами сопряжена с трудностями. Создание и управление требуемыми квантовыми состояниями традиционно предполагает проведение квантовой системы через тысячи повторяющихся циклов возбуждения. Этот процесс занимает немало времени, и каждый дополнительный цикл создаёт очередную возможность для внешних помех вмешаться в вычисление. В квантовых вычислениях скорость, таким образом, тесно связана с надёжностью. Исследователи Леи Ду и Танъю Хуан предложили иную стратегию: вместо пошагового построения нужных квантовых состояний их метод позволяет выполнять самые разные операции гораздо быстрее. «Наш метод показывает, что разнообразные квантовые операции над бозонными состояниями можно выполнить за один цикл возбуждения, а не за несколько тысяч, как требовалось ранее. Это делает операции быстрее и эффективнее, снижая риск того, что помехи испортят информацию до завершения процесса. Это важный шаг к отказоустойчивым квантовым компьютерам», — говорит Леи Ду.
Новый подход основан на квантовых решёточных вентилях — недавно предложенном универсальном наборе квантовых вентилей, разработанном той же исследовательской группой. Эти вентили действуют подобно сокращённому пути: вместо длинной последовательности повторяющихся шагов управления они позволяют выполнить нужную квантовую операцию всего за один цикл возбуждения. Это может сделать процесс быстрее, проще и менее уязвимым к ошибкам. «Это можно представить как сборку большого замка из Lego. Вместо того чтобы соединять его кирпичик за кирпичиком и рисковать ошибками, квантовые решёточные вентили работают как готовые модули Lego, которые можно быстро и эффективно соединять», — сравнивает Танъю Хуан. Техника особенно хорошо подходит для сверхпроводящих квантовых компьютеров, которые относятся к числу наиболее заметных технологий в международных усилиях по созданию крупномасштабных квантовых вычислителей. Технологический университет Чалмерса также использует сверхпроводящую технологию при разработке 100-кубитного квантового компьютера. «Ключевое преимущество нашего подхода в том, что его можно реализовать на существующих платформах сверхпроводящих квантовых схем. Мы уже обсуждаем возможные экспериментальные реализации с коллегами в Чалмерсе и надеемся увидеть демонстрацию метода в ближайшем будущем», — отмечает Танъю Хуан.
По словам исследователей, работа решает центральную проблему отрасли — эффективного создания и управления квантовыми состояниями, способными помочь исправлять ошибки. «Наши результаты устраняют одно из главных узких мест в этой области: как быстро и надёжно создавать и контролировать корректирующие ошибки квантовые состояния, которые могут сыграть важную роль в будущих квантовых компьютерах», — заявляет Леи Ду. Научная статья «Single-Period Floquet Control of Bosonic Codes with Quantum Lattice Gates» опубликована в журнале Physical Review Letters. Её авторы — Танъю Хуан, Леи Ду и Линчжэнь Го. Исследователи связаны с Технологическим университетом Чалмерса в Швеции и Тяньцзиньским университетом в Китае. Работа финансировалась Национальным фондом естественных наук Китая (NSFC), Центром квантовых технологий Валленберга (WACQT) и Фондом Кнута и Алисы Валленберг.