Подобно детям, изучающим математику, ученые, разрабатывающие квантовые компьютеры - машины-мечты, которые могут решать проблемы, с которыми не справился бы любой суперкомпьютер, - учатся выявлять и исправлять свои ошибки. На последнем этапе команда продемонстрировала способ обнаружения ошибок в настройке квантового бита или кубита, который гарантированно не ухудшит ситуацию. Такая «отказоустойчивость» - необходимый шаг к великой цели - поддерживать привередливые кубиты, чтобы ими можно было манипулировать бесконечно.
«Это похоже на настоящую веху», - говорит Скотт Ааронсон, ученый-теоретик из Техасского университета в Остине, который не участвовал в работе. «Мы знали, что это лишь вопрос времени, когда кто-нибудь это сделает». Однако Джон Мартинис, физик-экспериментатор из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, сомневается, что авторы новой работы переоценивают то, что они сделали. «Это очень хороший шаг», - говорит он. «Но это всего лишь шаг».
Обычный компьютер управляет крошечными электрическими переключателями или битами, которые могут быть установлены на 0 или 1; квантовый компьютер использует кубиты, которые могут быть установлены на 0 и 1 одновременно. Кубит может быть, например, крошечной схемой из сверхпроводящего металла с двумя различными энергетическими состояниями; или отдельный ион, вращающийся в одну, другую или обе стороны одновременно. Благодаря таким двусторонним состояниям квантовый компьютер может кодировать все потенциальные решения определенных проблем в виде квантовых волн, проходящих через кубиты. Вмешательство отменяет неправильные решения, и появляется правильное. Такие методы позволили бы большому квантовому компьютеру быстро разложить на множители огромные числа, что сложно для обычного компьютера, и, таким образом, взломать схемы шифрования, используемые для защиты информации в Интернете.
Однако малейшее вмешательство может испортить хрупкое состояние кубита. Если бы кубит был похож на обычный бит, исследователи могли бы просто сделать его дублирующие копии и посчитать большинство, чтобы сохранить правильное состояние. Если копия действительно переворачивается, то суммирование различных подмножеств битов - так называемые проверки на четность - покажет, какой из них. Но квантовая теория запрещает копирование состояния одного кубита на другой. Хуже того, любая попытка измерить кубит и посмотреть, в правильном ли он состоянии, приведет к его коллапсу до 0 или 1.
Исследователи обходят эти проблемы, используя квантовую связь, называемую запутанностью, которая позволяет им распределить состояние исходного «логического» кубита - объекта, который в конечном итоге выполнит желаемую операцию, - между несколькими физическими кубитами. Так, например, состояние 0 и 1 одного кубита можно распространить на три кубита в состоянии, в котором все три равны 0 и одновременно все три равны 1. Затем исследователи могут связать больше вспомогательных кубитов с группой и, в квантовый эквивалент проверки четности, измеряет вспомогательные кубиты для обнаружения ошибок в основных кубитах, даже не касаясь их.
На самом деле схема намного сложнее, поскольку разработчики должны защищаться от двух различных типов ошибок, известных как перевороты битов и перевороты фазы. Тем не менее, ученые добились прогресса. В июне исследователи из Google, использующие сверхпроводящие кубиты, показали, что они могут уменьшить количество ошибок одного или другого типа, но не сразу обоих, если распределить логический кубит на 11 физических кубитов с 10 вспомогательными элементами.
Теперь Лэрд Иган и Кристофер Монро, физики из Университета Мэриленда (UMD) в Колледж-Парке, и их коллеги пошли еще дальше и продемонстрировали схему, которая одновременно исправляет оба типа переворотов - и, следовательно, любую ошибку. Их кубиты состоят из отдельных ионов иттербия, захваченных электромагнитным полем на поверхности чипа. Команда использовала девять ионов для кодирования одного логического кубита и еще четыре вспомогательных, чтобы следить за основными.
Самое главное, закодированный логический кубит работал лучше, чем физический, от которого он зависит, по крайней мере, в некотором смысле. Например, исследователям удалось подготовить состояние логического 0 или логической единицы в 99,67% случаев - лучше, чем 99,54% для отдельных кубитов. «Это действительно первый случай, когда качество [логического] кубита лучше, чем качество компонентов, которые его кодируют», - говорит Монро, соучредитель IonQ, компании, занимающейся разработкой ионных квантовых компьютеров.
Однако, отмечает Иган, закодированный кубит не во всех отношениях затмевает отдельные ионы. Вместо этого, говорит он, реальный прогресс заключается в демонстрации отказоустойчивости, что означает, что механизм исправления ошибок работает таким образом, что не вносит больше ошибок, чем исправляет. «Отказоустойчивость - это принцип конструкции, который предотвращает распространение ошибок», - говорит Иган, ныне работающий в IonQ.
Однако Мартинис сомневается в использовании этого термина. По его словам, чтобы заявить об истинном отказоустойчивом исправлении ошибок, исследователи должны сделать еще две вещи. Они должны показать, что ошибки в логическом кубите становятся экспоненциально меньше по мере увеличения количества физических кубитов. И они должны показать, что могут многократно измерять вспомогательные кубиты, чтобы поддерживать логический кубит, - говорит он.
Иган соглашается, что это очевидные следующие шаги для команд UMD и IonQ. Он отмечает, что для достижения стадии, на которой закодированный логический кубит превосходит основные физические кубиты во всех отношениях, необходимо, чтобы последний имел достаточно низкий уровень ошибок для начала. «Когда это произойдет, это будет большим результатом, и все настаивают на этом», - говорит Иган. «Но этого еще не произошло».
Источник - science
42.6к
