В IBM создали универсальную систему устранения квантовых ошибок для компьютеров будущего

Инженеры IBM надеются, что их квантовый компьютер пригодится в медицине, квантовой химии и фундаментальных физических исследованиях

(фото Jon Simon/Feature Photo Service for IBM).

Квадратные схемы продемонстрировали большую эффективность в вопросе обнаружения и устранения ошибок в вычислениях, чем линейные массивы

(иллюстрация IBM Research).

Команда инженеров из исследовательского центра компании IBM представила результаты своих новейших исследований. Учёные рассказали о двух важнейших достижениях на пути к созданию квантового компьютера для практического применения: системе одновременного обнаружения и измерения обоих видов квантовых ошибок и дизайн масштабируемой схемы для кубитов.

В своей статье, опубликованной в журнале Nature Communications, исследователи из IBM рассказывают, что до сих пор было возможно обнаружение лишь одного из двух видов квантовых ошибок, которые будут иметь место в любых вычислениях на компьютере.

Однако им удалось обойти проблемы и создать систему детектирования обоих видов этих ошибок — бит-флип и фаза-флип (о них подробнее расскажем ниже). Это, по словам специалистов, является одним из важнейших шагов на пути к созданию практичного и надёжного крупномасштабного квантового компьютера.

Инженеры из IBM создали принципиально новую сложную схему на основе квадратной решётки из четырех сверхпроводящих кубитов на чипе. Её возможности подразумевают детектирование обоих типов квантовых ошибок одновременно — всё, как поясняют специалисты, благодаря тому, что они заменили линейный массив на квадратную схему. Также данный дизайн позволяет сделать схему, а следовательно, и сам компьютер, масштабируемым: для укрупнения масштаба следует увеличить число кубитов и наоборот.

"Квантовые вычисления могут быть потенциально незаменимы во многих областях человеческой деятельности. Мы рассчитываем, что будущий квантовый компьютер IBM, над дизайном которого наши специалисты работают сегодня, поможет решить неразрешимые доселе задачи по физике и квантовой химии, а также в области материаловедения и разработки новых лекарств", — говорит Арвинд Кришна (Arvind Krishna), старший вице-президент и директор IBM Research.

На сегодняшний день одной из самых главных проблем исследований квантовых вычислений является контроль и устранение так называемой квантовой декогеренции — возникновения ошибок в расчётах, вызванных помехами от таких факторов, как тепло, электромагнитное излучение или неисправность "железа".

"До сих пор учёные разрабатывали системы для детектирования и устранения ошибок бит-флип или фаза-флип, но никому ещё не удавалось работать с ними обеими одновременно. Каждая из прежде разработанных схем предлагала лишь неполную информацию о квантовом состоянии системы, поскольку обе были основаны на работе линейных массивов. Наша квадратная схема из четырёх кубитов способна обнаруживать и устранять оба типа ошибок в квантовых вычислениях", — рассказывает Джей Гамбетта (Jay Gambetta), менеджер IBM Quantum Computing Group.

Квадратные схемы продемонстрировали большую эффективность в вопросе обнаружения и устранения ошибок в вычислениях, чем линейные массивы
(иллюстрация IBM Research).

Базовой единицей информации, которую воспринимает компьютер, является бит (тот самый "0" или "1"), в случае с квантовыми компьютерами — кубит. Кубит отличается от бита тем, что способен пребывать в состоянии квантовой суперпозиции, то есть принимать значения "0" и "1" одновременно до тех пор, пока его не измерят.

Состояние квантовой суперпозиции связано с появлением двух возможных типов ошибок. Первая из них называется бит-флип: компьютер выдаёт значение "0" вместо "1" и наоборот. Вторая носит название фаза-флип и заключается в том, что компьютер выводит неверную информацию о фазовом соотношении между значениями "0" и "1" в состоянии суперпозиции. Для нормальной работы квантового компьютера необходима система, детектирующая и устраняющая оба типа возможных ошибок в вычислениях, поскольку фаза-флип неизбежно приводит к возникновению бит-флипов.

Известно, что квантовая информация является крайне хрупкой: ошибки в существующих квантовых системах возникают из-за взаимодействия с дефектами в материале, электромагнитным и тепловым излучением. Теоретики нашли способ сохранения информации путём её распределения по многим кубитам. Такая методика подразумевает взаимодействия только между соседними кубитами, что обеспечивает выполнение безошибочной работы на протяжении длительного периода времени.

Команда IBM Research использовала различные методы для измерения состояния двух независимых кубитов. Каждое измерение показывает один аспект квантовой информации, хранящейся на двух соседних кубитах. В частности, один кубит показывает, произошла ли ошибка фаза-флип, второй — бит-флип, при определении состояния квантовой информации. Что ещё важнее, при таком измерении не разрушается информация, содержащаяся в кубитах.

Разработчики новой технологии из IBM уверены, что теперь создание полноценного рабочего квантового компьютера — лишь дело времени.