| 0 |
|
Дійсно корисний квантовий комп'ютер повинен мати здатність запускати будь-який алгоритм із тією ж гнучкістю, яку пропонує звичайний ноутбук. Міжнародна група фізиків продемонструвала новий метод досягнення такої універсальності за допомогою екзотичних квантових квазічастинок - неабелевих аніонів (non-Abelian anyons).
Команда вчених із Прітцкерівської школи молекулярної інженерії Чиказького університету (UChicago PME), Гарварду, Університету Стоні-Брук та квантової компанії Quantinuum створила та протестувала повний набір інструментів для квантових операцій на основі неабелевих аніонів. Дослідження, опубліковане в науковому журналі Nature, вперше доводить практичну цінність цього підходу.
«Ми продемонстрували так званий універсальний набір вентилів (універсальний логічний базис). Це означає, що якщо ви зберігаєте інформацію в цих квазічастинках (які є свого роду емерджентними версіями кварків) і переміщуєте їх у просторі, ви можете виконати будь-яке квантове обчислення, яке вам знадобиться», - пояснює Рубен Верресен (Ruben Verresen), асистент професора молекулярної інженерії в UChicago PME та співавтор дослідження.
Сучасні квантові системи сильно вразливі до шумів і помилок. Зазвичай інженери використовують складні коди корекції, розподіляючи дані між багатьма фізичними кубітами. Проте ці коди самі по собі не забезпечують виконання всіх операцій, необхідних для повноцінних обчислень.
Щоб обійти це обмеження, розробники змушені створювати спеціальні «магічні стани» (magic states) шляхом дистиляції - вкрай ресурсомісткого процесу, який поглинає левову частку обчислювальних кубітів машини. Використання неабелевих аніонів дозволяє повністю виключити цей етап.
«Неабелеві коди - це "темна конячка" у перегонах за квантовою корекцією помилок», - зазначає Хенрік Драєр (Henrik Dreyer), керуючий директор мюнхенського офісу Quantinuum. - «У цій роботі ми показали перший універсальний набір вентилів у неабелевому коді. Це доводить, що відмовостійкі обчислення принципово можливі без дистиляції магічних станів, яка є найдорожчою операцією у стандартних кодах корекції».
Звичайні кубіти зберігають інформацію у двійковому стані (0 або 1) чи їхній суперпозиції. Неабелеві аніони не існують у природі як окремі частинки. Фізики створюють їх штучно за допомогою складних квантових ланцюгів, які пов'язують багато звичайних кубітів в один масивний стан квантової заплутаності.
Кожен такий аніон має внутрішній стан, який змінюється, коли дві частинки переміщують або «обплітають» (braid) одна навколо одної. Порядок цього плетіння має значення (саме тому вони називаються неабелевими), що дозволяє кодувати інформацію унікальним способом. Оскільки їхній стан розподілений по всій заплутаній системі, вони надійно захищені від зовнішніх завад.
У 2024 році вчені вже намагалися реалізувати цей підхід на іонному квантовому комп'ютері Quantinuum, використавши групу симетрії D_4 (повороти та відображення квадрата). Проте тоді самого лише «плетіння» виявилося недостатньо для виконання всіх типів обчислень - створена квантова система була занадто обмеженою.
У новому дослідженні фізики звернулися до іншої симетрії - S_3 (повороти та дзеркальні відображення рівностороннього трикутника). Вони заплутали 54 кубіти на іонному квантовому процесорі Quantinuum H2. Структура S_3 підходила ідеально, але за умови, що плетіння частинок доповнюється другим інструментом - злиттям (fusion), коли два аніони об'єднуються, а результат зчитується як вимірювання. Цю концепцію ще у 2003 році теоретично описав Карлос Мочон (Carlos Mochon) (учень відомого фізика Джона Прескілла (John Preskill) в Калтеху), але реалізувати її в залізі вдалося лише зараз.
Використовуючи пари аніонів, команда закодувала «топологічні кутрити» (qutrits) - квантові елементи, які мають три рівні інформації замість двох у стандартних кубітів.
Комбінуючи плетіння та злиття цих кутритів, дослідники продемонстрували три ключові операції (один заплутуючий вентиль завдяки плетінню та два типи вимірювань завдяки злиттю). Разом вони дозволяють виконати абсолютно будь-яку квантову операцію.
Вчені також підтвердили, що за допомогою топологічних операцій вони спроможні створювати «магічні стани» напряму, минаючи фазу дорогої дистиляції. Поки що автори дослідження перевіряли роботу окремих обчислювальних блоків як доказ життєздатності концепції, не застосовуючи активне виправлення помилок на практиці. Об'єднання цього підходу з повноцінним алгоритмом корекції помилок стане наступним кроком, над яким Рубен Верресен уже працює спільно з колегами з інституту PME для стабілізації неабелевої квантової пам'яті.
Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI
| 0 |
|
