«Лишний» кубит научил квантовые компьютеры меньше ошибаться

Две группы физиков экспериментально проверили один из способов определения ошибок, возникающих при квантовых вычислениях в системе из пяти кубитов, реализованной разными способами. Статья первой группы опубликована в Science Advances, а второй — в Physical Review Letters.

Вычисления на квантовых компьютерах невозможны без квантовой информации в устойчивом к ошибкам виде. Другими словами, должен существовать способ, при котором можно контролировать и своевременно исправлять возникающие при считывании и записи информации ошибки. От таких ошибок нельзя избавиться полностью, поскольку наблюдатель неизбежно нарушает состояние квантовой системы при взаимодействии с ней, однако обойти эту проблему можно. На данный момент физики хорошо умеют справляться с этой задачей, причем несколькими способами.

Однако ошибки возникают не только при записи и считывании информации, но и при непосредственных вычислениях. При этом чем больше кубитов входят в квантовый компьютер, тем выше частота ошибок, и достаточно большие квантовые компьютеры без корректировки ошибок будут практически бесполезны. К счастью, уже разработаны теоретические решения этой проблемы. В своих работах ученые сообщают об экспериментальной реализации одного из этих способов.

Заключается способ в следующем. Пусть у нас есть две системы, состоящие из двух кубитов и кодирующие четыре бита информации, причем начальные состояния систем совпадают. После выполнения над ними одинаковых операций конечные состояния систем также должны совпадать. Если они отличаются, то это значит, что в ходе вычислений возникла ошибка. Однако напрямую их сравнить нельзя, поскольку взаимодействие классического наблюдателя с квантовой системой неизбежно вносит в нее случайные ошибки. Поэтому физики ввели еще один дополнительный кубит, который контролирует, насколько участвующие в вычислениях кубиты отличаются друг от друга, и в то же время при измерении состояния которого состояние системы не разрушается.

Данную схему ученые из разных групп реализовали по-разному. Физики из группы Норберта Линке (Norbert M. Linke) использовали в качестве кубитов пять ионов ¹⁷¹Yb⁺, пойманные в ловушке Паули и охлажденные с помощью лазера. Манипуляции над кубитами выполнялись с помощью двух рамановских лучей (Raman beams), частота которых была близка к собственной частоте колебаний кубитов. В этом эксперименте исследователям удалось добиться снижения числа ошибок с десяти до 0,1 процента (если считать, что замеченная с помощью предложенного способа ошибка не является ошибкой).

В то же время, физики из исследовательского центра IBM реализовали систему из пяти кубитов с помощью сверхпроводящего трансмонного прибора (superconducting transmon device). Взаимодействие с кубитами проводилось с помощью параметрических преобразователей Джозефсона (Josephson Parametric Converters). Этой группе также удалось показать, что помощью этого способа можно отследить возникающие при вычислениях ошибки.

Ученые отмечают, что предложенный ими способ позволяет только обнаружить возникающие ошибки, но не исправить их. Кроме того, с помощью этого способа нельзя заметить ошибки, произошедшие одновременно в двух системах, или ошибки, дважды изменившие состояние одной из систем. Тем не менее, физики намерены исправить эти проблемы в дальнейших работах, доработав схему из пяти кубитов и увеличив число кубитов, над которыми выполняются операции.

Недавно мы писали о том, как физики из Российского квантового центра ускорили исправление ошибок, возникающих при квантовой коммуникации.

Дмитрий Трунин