Физики объединили кубиты для взаимной корректировки ошибок вычислений

Ловушка для ионов, которую использовали исследователи в лаборатории

(фото Blatt Group/University of Innsbruck).

Райнер Блатт, ведущий автор нового исследования

(фото Wikimedia Commons).

Согласно результатам нового исследования, проведённого международной командой физиков, объединение кубитов в единые элементы обработки информации заставляет всю вычислительную систему работать стабильно и без ошибок. Учёные смогли соединить рекордное количество квантовых единиц информации, чтобы система сама идентифицировала и устраняла ошибки в каждом отдельном кубите.

Как известно, кубит, он же "квантовый бит", способен не только принимать значения "0" и "1", но и находится в состоянии суперпозиции, то есть обладать обеими значениями до тех пор, пока его не измерят. Отдельные кубиты можно запутать друг с другом таким образом, чтобы у всех было одно состояние суперпозиции. Благодаря этому свойству квантовые компьютеры будущего смогут быстро решать сложные задачи (например, разлагать на дроби большие числа) и обрабатывать огромные объёмы данных.

Однако разработчикам квантовых компьютеров необходимо решить одну серьёзную проблему: квантовые состояния очень хрупкие и легко нарушаются при взаимодействии с окружающей средой. Эти взаимодействия приводят к ошибкам, таким как случайная смена значения кубита или нарушение спутанности всех кубитов в системе.

Для того чтобы сохранить состояние запутанности на время проведения необходимых вычислений, физики решили объединять кубиты в единые элементы обработки информации, так называемые "логические кубиты", способные самостоятельно обнаружить и исправить ошибки в отдельных компонентах системы.

Прежние результаты исследований в этой области привели к объединению максимум пяти кубитов, что в свою очередь позволило решить проблему случайной смены состояния единичных кубитов или несогласованности состояния одного из кубитов с остальными. Однако для корректировки и идентификации обеих этих проблем требуется объединение как минимум семи кубитов.

Ловушка для ионов, которую использовали исследователи в лаборатории
(фото Blatt Group/University of Innsbruck).

Об успехе в решении этой задачи сообщает исследовательская группа во главе с Райнером Блаттом (Rainer Blatt) из университета Инсбрука в Австрии. В рамках своего эксперимента учёные поймали семь ионов кальция в ловушку из электрических полей. Ионы выстроили в ряд и охладили до температур, близких к абсолютному нулю. При такой температуре два энергетических уровня ионов могут функционировать в качестве разных состояний кубита.

Затем учёные запутали полученные кубиты и искусственно создали ошибки, переключая состояния кубитов или их "синхронизацию" при помощи лазеров.

Поскольку частицы были объединены посредством квантовой запутанности, исследователи могли в точности определить, в каком именно кубите обнаружена ошибка и какого она рода. Это можно было сделать, изучив характеристики излучения захваченных ионов.

Райнер Блатт, ведущий автор нового исследования

Чтобы в дальнейшем действительно исправлять ошибки, нужно будет добавить в систему хотя бы ещё один кубит, который будет "считывать" состояние остальных. Однако объединить в состояние квантовой запутанности более семи кубитов учёным пока не удалось. Более того, для приближения к масштабам настоящего квантового компьютера нужно будет научиться ловить ионы в двухмерные сетки.

"Все эти задачи у нас на повестке дня. Но наше достижение уже является первым решающим шагом к созданию стабильно работающей квантово-вычислительной системы", — рассказывает Блатт в пресс-релизе.

В своей статье, опубликованной в журнале Science, учёные также рассказывают о контрольном эксперименте. Они проводили ряд вычислительных операций на своём логическом кубите и при помощи лазеров измеряли состояния отдельных кубитов. Результаты тестирования показали, что система может выполнить большинство базовых операций. Для полноценных вычислений необходимо увеличить масштаб, объединив большее количество кубитов в единую систему.

Также по теме:
Квантовые компьютеры будут проверять результаты вычислений друг друга
Аспирант-физик создал крупнейший кластер квантовых систем
Немцы соорудили первую простейшую квантовую сеть
Физикам удалось обнаружить фотоны, не изменив их свойства
Ионный кристалл стал мощнейшим квантовым компьютером
Создан квантовый компьютер в алмазе