Квантовые компьютеры, перерабатывающие кубиты, могут ограничить количество ошибок

Чтобы сделать квантовые компьютеры более эффективными и надежными, некоторые из их базовых компонентов должны постоянно использоваться повторно — несколько конструкций квантовых компьютеров теперь способны делать именно это.

Квантовые компьютеры, созданные на основе кубитов, основанных на экстремально холодных атомах, стремительно растут, что вскоре может сделать их вычислительно мощными. Однако частота ошибок ограничивает их эффективность. Исследователи разработали способ восполнять и повторно использовать эти кубиты, чтобы сделать вычисления более практичными и надёжными.

Все существующие квантовые компьютеры слишком подвержены ошибкам, чтобы справляться с вычислениями, которые были бы полезны и давали бы им преимущество перед традиционными компьютерами, но исследователи добились больших успехов в разработке схем исправления ошибок, которые могли бы решить эту проблему.

В одной из таких схем строительные блоки квантового компьютера, называемые кубитами, делятся на две основные группы: кубиты, которым поручено манипулировать данными и которые используются для выполнения вычислений, и другие, называемые «вспомогательными кубитами», которые отслеживают ошибки.

Создание большого количества высококачественных кубитов для любой из этих целей — сложная техническая задача, поэтому Мэтт Норсия из американской компании Atom Computing и его коллеги разработали способ повторного использования или замены вспомогательных кубитов, сократив их количество. Они показали, что их кубиты для отслеживания ошибок можно перерабатывать 41 раз подряд.

«Любое вычисление использования, вероятно, будет очень долгим, поэтому придётся провести много циклов измерений. В идеале нужно иметь возможность повторно использовать кубиты в течение нескольких циклов, чтобы не приходилось добавлять новые кубиты в систему», — говорит Норсия.

Он и его коллеги использовали кубиты, созданные из электрически нейтральных атомов иттербия, охлажденных до температур, очень близких к абсолютному нулю, с помощью лазеров и электромагнитных импульсов. Они могли управлять квантовым состоянием и квантовыми свойствами, кодирующими информацию, каждого атома с помощью лазеров, сконфигурированных в виде «оптического пинцета». Команда использовала эту технику для организации своего квантового компьютера в трех различных зонах.

В первой зоне 128 оптических пинцетов направляли кубиты для выполнения вычислений, а во второй зоне 80 пинцетов удерживали кубиты, которые можно было использовать для измерения ошибок и заменять ими любые ошибочные кубиты. Третья зона служила хранилищем, вмещая ещё 75 кубитов, только что переведенных в рабочее состояние. Наличие этих двух последних зон позволяло исследователям либо сбрасывать и повторно использовать вспомогательные кубиты, либо заменять их новыми.

Норсия говорит, что реализовать эту схему было сложно, поскольку любой посторонний свет от одного лазера, касающийся соседнего кубита, может нарушить его работу. В связи с этим исследователям пришлось разработать точный контроль над своими лазерами, а также способы настройки состояний кубитов данных, чтобы они оставались «скрытыми» от определённых типов вредного света или не подвергались его воздействию, говорит он.

«Повторное использование вспомогательных данных принципиально важно для прогресса квантовых вычислений», — говорит Юваль Богер из американской компании QuEra, занимающейся квантовыми вычислениями. Без этой возможности даже самые скромные вычисления потребовали бы миллионов или миллиардов кубитов, что просто нереально для любого существующего или будущего квантового вычислительного оборудования, считает он.

Эта проблема была признана в сообществе исследователей кубитов на основе атомов. «Я думаю, все в области нейтральных атомов [квантовых вычислений] понимают необходимость сброса и перезагрузки атомов в ходе вычислений», — говорит Норсия.

Например, Богер отмечает, что группа исследователей из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института использовала аналогичный метод для поддержания работы квантового компьютера, состоящего из 3000 ультрахолодных атомов рубидия, в течение нескольких часов. Некоторые квантовые компьютеры с кубитами, созданными из ионов, управляемых светом, например, машина Helios, недавно представленная компанией Quantinuum, также могут повторно использовать кубиты.

Physical Review X DOI: 10.1103/v7ny-fg31

Источник: www.newscientist.com