Распределенный кубит противостоит ошибкам квантовых вычислений

Компьютеры тоже могут ошибаться. Незначительные помехи могут изменять сохраняемую информацию и фальсифицировать результаты вычислений. Чтобы избежать этого используют особые программы, непрерывно отслеживающие и исправляющие ошибки. Такие меры даже еще более актуальны для будущих квантовых компьютеров.

«Квантовые явления являются чрезвычайно хрупкими и уязвимыми для ошибок, которые могут быстро распространяться и вносить значительные возмущения в работу компьютера», — говорит Томас Монц (Thomas Monz) из Института экспериментальной физики Университета Инсбрука.

Вместе с коллегами с факультета теоретической физики мадридского Complutense University австрийские физики разработали новый метод коррекции квантовых ошибок и проверили его экспериментально. Используемый в нем топологический алгоритм организует кубиты в двумерную решетку, где они могут взаимодействовать с соседними частицами.

Для эксперимента в ионной ловушке были заключены семь атомов кальция, которые были охлаждены почти до абсолютного нуля и точно контролировались лазерным лучом. Исследователи кодировали хрупкие квантовые состояния одного логического кубита в перепутанные состояния этих частиц.

Достичь этого непростого результата удалось в три этапа. На каждом из них сложная комбинация лазерных импульсов использовалась для создания перепутанности между четырьмя соседними кубитами.

«Нам удалось впервые закодировать одиночный логический квантовый бит, контролируемым образом распределив его информацию на семь атомов, — комментирует эксперимент другой его участник, Маркус Мюллер (Markus Müller). — Если мы перепутываем атомы таким образом, они обеспечивают достаточно информации для последующей коррекции ошибок, делая вычисления возможными».

Ученые также проверили свою программу на способность обнаруживать и исправлять различные типы ошибок. Они показали, что такая квантовая система позволяет независимо выявлять и корректировать любую возможную ошибку для каждой частицы. Для этого требуется лишь информация о корреляциях между частицами, но нет необходимости выполнять измерения непосредственно на одиночных атомах.

Помимо надежного обнаружения одиночных ошибок физики впервые смогли производить одиночные или даже повторяющиеся действия над логически закодированным кубитом.

«С этим квантовым кодом мы можем применять основные квантовые операции и одновременно корректировать все возможные ошибки», — комментирует Томас Монц достигнутый прогресс на пути к надежному и отказоустойчивому квантовому компьютеру.

Система из семи ионов может быть использована в дальнейшем в качестве базового элемента гораздо более крупных квантовых систем, способных безошибочно выполнять любое количество операций.

Статья «Quantum Computations on a Topologically Encoded Qubit», освещающая итоги исследования испанских и австрийских ученых, опубликована в журнале Science.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI