Квантовые компьютеры пока 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. Это достижение устраняет серьёзное препятствие в области квантовых вычислений и может приблизить создание отказоустойчивых квантовых компьютеров.
В перспективе квантовые машины способны преобразить такие сферы, как разработка лекарств, энергетика, криптография, искусственный интеллект и логистика. Однако для этого им необходимо стать значительно надёжнее. Главная трудность 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 заставить квантовое состояние отклониться от целевого, что приводит к потере информации. Если ошибок накопится слишком много до того, как их удастся исправить, вычисление может завершиться неудачей», — приводит слова Лея Ду, исследователя в области прикладной квантовой физики Технологического университета Чалмерса в Швеции и ведущего автора теоретической работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters, сайт ScienceDaily.
Чтобы сделать квантовые вычисления более устойчивыми и в конечном счёте отказоустойчивыми, учёные изучают новые способы защиты квантовой информации от ошибок. Один из перспективных подходов основан на так называемых бозонных квантовых кодах (bosonic quantum codes). Вместо того чтобы закреплять квантовую информацию за отдельными кубитами, этот метод хранит её в микроволновых полях внутри сверхпроводящих схем. «Бозонные коды кодируют информацию не в отдельных кубитах, а в микроволновых полях, существующих в сверхпроводящих схемах. Такой 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 — задача непростая. Создание и управление нужными квантовыми состояниями традиционно требует проведения квантовой системы через тысячи повторяющихся циклов возбуждения. Этот процесс занимает немало времени, а каждый дополнительный цикл создаёт очередную возможность для внешних помех вмешаться в вычисление. В квантовых вычислениях скорость, таким образом, напрямую связана с надёжностью. Исследователи Леи Ду и Танъю Хуан из Чалмерса предложили иную стратегию. Вместо того чтобы собирать нужные квантовые состояния по маленьким фрагментам, 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 циклов, как требовалось ранее. Это делает операции одновременно 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 строится вокруг квантовых решёточных вентилей (quantum lattice gates) — недавно предложенного универсального набора квантовых вентилей, разработанного той же исследовательской группой. Эти вентили действуют подобно коротким путям. Вместо длинной последовательности повторяющихся управляющих шагов 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 складывать его кирпичик за кирпичиком и рисковать ошибками по ходу, 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 в ближайшем будущем увидеть демонстрацию метода», — отмечает Танъю Хуан. По словам исследователей, работа решает центральную проблему отрасли: как эффективно создавать и контролировать квантовые состояния, способные помочь исправлять ошибки. «Наши результаты устраняют одно из главных узких мест в этой области: как быстро и надёжно создавать и контролировать квантовые состояния для коррекции ошибок, которые могут сыграть важную роль в будущих квантовых компьютерах», — заключает Леи Ду.