Квантовые операции ускорили в тысячу раз: новый метод приближает создание надёжных компьютеров

Квантовые компьютеры остаются уязвимы к ошибкам и малейшим воздействиям окружающей среды. Чем дольше выполняется квантовая операция, тем больше времени остаётся для накопления ошибок. Электрический шум, космическое излучение и перегрев могут вносить ошибки во время обработки информации. В отличие от традиционных компьютеров, где за десятилетия разработаны надёжные методы коррекции ошибок, квантовые системы защитить намного сложнее, потому что информация в них чрезвычайно хрупка.

Чувствительность кубитов — главная проблема

Фундаментальные строительные блоки квантовых компьютеров — кубиты — настолько чувствительны, что даже малейшее возмущение может отклонить квантовое состояние от целевого и привести к потере информации. Если ошибок накопится слишком много до их коррекции, вычисление может полностью отказать. Это объясняет, почему перед квантовыми технологиями стоит задача повышения надёжности и создания отказоустойчивых систем.

Боссонические коды как решение

Один из перспективных подходов использует так называемые боссонические квантовые коды. Вместо размещения квантовой информации в отдельных кубитах этот метод хранит её в микроволновых полях внутри сверхпроводящих схем. Такой подход обеспечивает более сильную защиту от определённых типов ошибок. Однако работа с боссоническими кодами традиционно требовала проведения квантовой системы через тысячи повторяющихся циклов управления, что занимало значительное время и создавало множество возможностей для внешних помех.

Квантовые решёточные вентили как ускоритель

Исследователи Лэй Ду и Танъю Хуан из Чалмерса предложили иной подход, основанный на квантовых решёточных вентилях — недавно разработанном универсальном наборе квантовых вентилей. Эти вентили действуют как ярлыки: вместо длинной последовательности повторяющихся контрольных шагов они позволяют завершить нужную квантовую операцию за один цикл управления. Танъю Хуан объясняет это так: «Вы можете представить это как строительство большого замка из Лего. Вместо сборки кирпич за кирпичом с риском ошибок на каждом этапе квантовые решёточные вентили действуют как предварительно собранные модули Лего, которые можно быстро и эффективно соединить».

Преимущества для сверхпроводящих компьютеров

Метод особенно хорошо подходит для сверхпроводящих квантовых компьютеров, которые являются одной из наиболее развиваемых технологий в международных усилиях по созданию крупномасштабных квантовых систем. Ключевое преимущество подхода в том, что его можно реализовать на существующих платформах сверхпроводящих квантовых схем. Исследователи уже обсуждают возможные экспериментальные реализации с коллегами в Чалмерсе и надеются продемонстрировать метод в ближайшем будущем.

Решение центральной проблемы

Работа решает одно из главных узких мест в области квантовых вычислений: как быстро и надёжно создавать и контролировать квантовые состояния, способные помочь в коррекции ошибок. Лэй Ду отмечает: «Наши результаты решают одно из главных препятствий в этой области: как быстро и надёжно создавать и контролировать состояния квантовой коррекции ошибок, которые могут сыграть важную роль в будущих квантовых компьютерах». Статья опубликована в журнале Physical Review Letters и написана Танъю Хуаном, Лэем Ду и Линчжэнь Го из Технологического университета Чалмерса и Тяньцзиньского университета.

Перспективы применения

Квантовые компьютеры могут в будущем трансформировать такие области, как поиск новых лекарств, энергетические технологии, криптография, искусственный интеллект и логистика. Однако перед этим эти машины должны стать намного более надёжными. Ускорение квантовых операций в тысячу раз — важный шаг в этом направлении.