Критический код кота Шредингера: прорыв в квантовых вычислениях для улучшения кубитов

Иллюстрация кошачьего кода Шредингера. Совершив значительный прорыв в области квантовых вычислений, физики из EPFL предложили «критический код кота Шредингера» для повышенной устойчивости к ошибкам, схему кодирования, вдохновленную мысленным экспериментом Шредингера. Эта новая система, работающая в гибридном режиме, не только обеспечивает расширенные возможности подавления ошибок, но также демонстрирует замечательную устойчивость к ошибкам из-за случайных сдвигов частоты, прокладывая путь для устройств с несколькими взаимодействующими кубитами, что является минимальным требованием для квантового компьютера. Фото: Винченцо Савона (EPFL)

Ученые из EPFL предложили революционную схему устойчивости к ошибкам для квантовых вычислений, известную как «критический код кота Шредингера». Эта новая система работает в гибридном режиме, демонстрируя расширенные возможности подавления ошибок и впечатляющую устойчивость к ошибкам из-за случайных сдвигов частоты, что расширяет возможности создания квантовых компьютеров с несколькими взаимодействующими кубитами.

Квантовые вычисления используют принципы квантовой механики для кодирования и обработки данных, а это означает, что однажды они смогут решить вычислительные проблемы, которые не поддаются решению с помощью современных компьютеров. В то время как последние работают с битами, которые представляют либо 0, либо 1, квантовые компьютеры используют квантовые биты или кубиты — фундаментальные единицы квантовой информации.

«С приложениями, начиная от открытия лекарств и заканчивая оптимизацией и моделированием сложных биологических систем и материалов, квантовые вычисления могут изменить обширные области науки, промышленности и общества», — говорит профессор Винченцо Савона, директор Центра квантовой науки и техники. В ЭПФЛ.

В отличие от классических битов, кубиты могут существовать в «суперпозиции» состояний 0 и 1 одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам одновременно исследовать несколько решений, что может значительно ускорить их выполнение в определенных вычислительных задачах. Однако квантовые системы деликатны и подвержены ошибкам, вызванным взаимодействием с окружающей средой.

«Разработка стратегий либо для защиты кубитов от этого, либо для обнаружения и исправления ошибок после их возникновения имеет решающее значение для обеспечения возможности разработки крупномасштабных отказоустойчивых квантовых компьютеров», — говорит Савона. Вместе с физиками EPFL Лукой Гравиной и Фабрицио Минганти они совершили значительный прорыв, предложив «критический код кота Шредингера» для повышенной устойчивости к ошибкам. В исследовании представлена ​​новая схема кодирования, которая может произвести революцию в надежности квантовых компьютеров.

Что такое «критический код кота Шредингера»?

В 1935 году физик Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент в качестве критики господствовавшего в то время понимания квантовой механики — копенгагенской интерпретации. В эксперименте Шрёдингера кошку помещают в запечатанный ящик с колбой с ядом и радиоактивным источником. Если один атом радиоактивного источника распадается, радиоактивность обнаруживается счетчиком Гейгера, который затем разбивает колбу. Яд высвобождается, убивая кошку.

Согласно копенгагенскому представлению квантовой механики, если атом изначально находится в суперпозиции, кошка унаследует то же состояние и окажется в суперпозиции живого и мертвого. «Это состояние представляет собой точное представление о квантовом бите, реализованном в макроскопическом масштабе», — говорит Савона.

В прошлые годы ученые черпали вдохновение в коте Шредингера, чтобы создать метод кодирования, называемый «кодом кота Шредингера». Здесь состояния 0 и 1 кубита кодируются двумя противоположными фазами колеблющегося электромагнитного поля в резонаторе, подобно мертвому или живому состоянию кота.

«В прошлом коды кошек Шредингера реализовывались с использованием двух различных подходов, — объясняет Савона. «Один использует ангармонические эффекты в резонаторе, другой опирается на тщательно спроектированные потери в резонаторе. В нашей работе мы объединили их, работая в промежуточном режиме, сочетая лучшее из обоих миров. Хотя ранее этот гибридный режим считался бесплодным, он обеспечивает расширенные возможности подавления ошибок». Основная идея состоит в том, чтобы работать близко к критической точке фазового перехода, на что ссылается «критическая» часть кода критической кошки.

Критический код кошки имеет дополнительное преимущество: он демонстрирует исключительную устойчивость к ошибкам, возникающим в результате случайных сдвигов частоты, которые часто создают серьезные проблемы для операций с несколькими кубитами. Это решает главную проблему и открывает путь к реализации устройств с несколькими взаимодействующими друг с другом кубитами — минимальное требование для создания квантового компьютера.

«Мы приручаем квантового кота, — говорит Савона. «Работая в гибридном режиме, мы разработали систему, которая превосходит своих предшественников, что представляет собой значительный скачок вперед для кошачьих кубитов и квантовых вычислений в целом. Исследование является важной вехой на пути к созданию лучших квантовых компьютеров и демонстрирует приверженность EPFL развитию области квантовой науки и раскрытию истинного потенциала квантовых технологий.