Как ускоряли кубиты. Новый рубеж отказоустойчивости.

Исследователи продемонстрировали чрезвычайно сильную нелинейную связь света и материи в квантовой схеме. Более сильная связь обеспечивает более быстрое считывание и операции с использованием кубитов, которые являются фундаментальными единицами информации в квантовых вычислениях. Источник.

Учёные — занятные ребята. С тех пор, как физика отошла от замешательства, вызванного двухщелевым опытом Юнга с его эффектом наблюдателя, ещё не вполне понимая что к чему и почему, они посчитали неплохой идеей использовать эту реакцию мироздания на проводимые измерения в своих сомнительных делах. Сегодня эксперимент, всколыхнувший фантазии всего мира более 200 лет назад, — которые, кстати, до сих пор переплетают науки и религии, связывая их метафизическими домыслами как новобрачных союзным рушником, — вылился у них в создание новой и, наверное, самой вожделенной своей игрушки — квантового компьютера.

Эта машина сулит нам революционные возможности в вычислительных технологиях.  Позволяя решать задачи, которые классическим компьютерам не под силу, она может хоть моделировать молекулы, хоть расшифровывать сложные коды. Однако есть одна большая проблема: квантовые состояния чрезвычайно нестабильны и легко подвергаются внешним помехам. Даже малейшее вмешательство может разрушить вычисления, что делает построение таких систем крайне сложным.

Это явление называется декогеренцией: квантовые биты (кубиты) теряют свою информацию из-за воздействия внешних факторов. Поэтому одним из главных вызовов является создание методов её защиты от подобных ошибок. Идей по их реализации немало, и все вместе они добиваются одного — отказоустойчивости.

30 апреля на сайте MIT (Массачусетского технологического института) вышла статья об очередной разработке по достижению этой цели. Само исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Забегая вперёд, стоит сказать, что теперь у фундаментальной науки появилась реальная возможность увеличить стабильность и скорость квантовых вычислений почти в 10 раз. Это открытие выглядит не заплаткой на технологической бреши, а практически ключом к уже набившей оскомину квантовой коррекции ошибок, о которую спотыкаются многие исследования последних лет. Это как если бы вы сдавали экзамен, скажем, диктант, но писали бы его под руководством преподавателя, который подсказывал бы вам как написать слово правильно и какой знак препинания поставить.

«Это действительно устранит одно из узких мест в квантовых вычислениях. Обычно вам приходится измерять результаты своих вычислений между раундами исправления ошибок. Это может ускорить то, как быстро мы сможем достичь отказоустойчивой стадии квантовых вычислений и получить возможность извлекать реальные применения и ценность из наших квантовых компьютеров», — говорит доктор наук Юфэн Йе, ведущий автор статьи в Nature Communications.

Такое стало возможно благодаря тому, что авторы решили попробовать создать новый способ использования так называемых кодовых состояний. Эти состояния позволяют распределить информацию между несколькими кубитами. В случае, если один из них будет подвержен ошибке, система сможет автоматически восстановить правильное состояние, минимизируя потерю данных. Такая децентрализация по типу процессов, происходящих в нашем мозге, позволяет делать вычисления не только более продолжительными, но и с меньшими рисками ошибок.

Успех работы основан на многолетних теоретических исследованиях группы учёных под руководством её старшего автора доцента Кевина О'Брайена, главного исследователя лаборатории электроники в MIT. Начав ещё аспирантом, за 6 лет он изобрёл новый тип квантового соединителя, облегчающий взаимодействие между кубитами. Этот так называемый квартонный соединитель имел так много потенциальных применений в квантовых операциях и считывании (измерения квантового состояния системы), что быстро стал центром внимания всей лаборатории.

По сути, данное ноу-хау представляет собой особый тип сверхпроводящей цепи, которая имеет потенциал для создания чрезвычайно сильной нелинейной связи, необходимой для работы большинства квантовых алгоритмов. По мере увеличения подаваемого в соединитель тока, он создаёт ещё более сильное нелинейное взаимодействие.

В этом смысле нелинейность означает, что система работает лучше, чем сумма её частей, демонстрируя более сложные свойства. Освещение кубита микроволновым светом провоцирует сдвиг частоты на его связанном считывающем резонаторе. Измерение этого сдвига, зависящего от состояния 0 или 1 кубита, и позволяет его (состояние кубита) определить. Этот процесс измерения возможным благодаря той самой нелинейной связи света и материи между кубитом и резонатором.

«Большинство полезных взаимодействий в квантовых вычислениях происходят из нелинейной связи света и материи. Если вы можете получить более универсальный диапазон различных типов связи и увеличить силу связи, то вы можете существенно увеличить скорость обработки квантового компьютера», — объясняет Йе.

Разработав архитектуру с квартонным соединителем, подключённым к двум сверхпроводящим кубитам на чипе, учёные превратили один кубит в резонатор, а другому отдали роль искусственного атома — хранилища квантовой информации. Эта информация может быть передана в форме фотонов микроволнового диапазона.

«Взаимодействие между этими сверхпроводящими искусственными атомами и микроволновым светом, который направляет сигнал, по сути, и есть основа построения всего сверхпроводящего квантового компьютера», — подытоживает Йе.

До недавнего времени квантовые компьютеры сталкивались с серьёзными ограничениями именно из-за ошибок, возникающих в процессе вычислений. Если бы учёным не удалось решить эту проблему, создание полноценного квантового компьютера, способного работать в реальных условиях, оставалось бы недостижимой целью. Однако эта и другие разработки позволяют шаг за шагом решать одну из самых больших проблем в квантовых вычислениях.

Стоит также отметить, что новый метод значительно упрощает сам процесс коррекции ошибок. Ранее для этого требовались дополнительные ресурсы и сложные механизмы, но предложенная в данном исследовании технология помогает делать всё это более эффективно. Это может ускорить процесс перехода от теоретических разработок к реальным, работающим в полную силу квантовым компьютерам.

Увы, до этого ещё многое предстоит сделать, так что о массовом применении таких технологий говорить рановато. Тем не менее, с каждым подобным открытием, их фундамент всё крепче, а перспективы всё ярче — разработки новых материалов, медикаментов, инженерных решений, алгоритмов шифрования и криптографии, безопасности (не только информационной). Как только квантовые компьютеры станут более стабильными, они смогут значительно ускорить научные исследования и сделать возможным решение задач, которые сейчас кажутся неприступными.

Нелинейная связь света и материи между кубитом и резонатором, возникающая при участии квартонного соединителя, примерно на порядок (в 10 раз) сильнее, чем наблюдалось ранее. Да, это может позволить создать квантовую систему с молниеносным считыванием, но...

«Эта работа — не конец истории. Это фундаментальная физическая демонстрация, но сейчас в группе ведутся работы по реализации действительно быстрого считывания», — говорит О'Брайен.

АРМК, по материалам MIT.