Логический кубит стал устойчив к шумам

Laird Egan et al. / Nature, 2021

Физикам удалось показать, что квантовые коды коррекции ошибок работают не только в теории, но и на практике. Ученые реализовали один из уже разработанных методов коррекции и на его основе собрали устойчивую к шуму и ошибкам квантовую систему. Авторский протокол позволил отслеживать ошибки на каждом этапе работы схемы, а их суммарный вклад оказался не больше одного процента. Работа опубликована в журнале Nature.

Все существующие и планируемые квантовые вычислители или компьютеры очень чувствительны к шуму. Небольшое изменение внешних условий может приводить к возникновению ошибок и сбою в системе. Избежать внешнего воздействия практически невозможно (очень сложно и нецелесообразно), поэтому одной из ключевых задач разработки квантовых вычислителей оказывается задача коррекции ошибок. И, если решение технических сложностей в создании работоспособного устройства в большей степени ложится на плечи экспериментаторов, то создание и оптимизация кодов для коррекции ошибок — работа, скорее, теоретическая.

Одной из главных проблем коррекции ошибок оказалась потребность в дополнительных кубитах — кодирование одного логического (несущего информацию) кубита требуется несколько физических, реально существующих в системе. Вспомогательные кубиты позволяют следить за кубитом, который кодирует нужную информацию, не измеряя его. За десятки лет физики придумали и смоделировали разные протоколы, позволяющие подавлять ошибки в квантовых системах с использованием меньшего числа дополнительных кубитов. А ученые из Мэрилендского университета в Колледж-Парке под руководством Кристофера Монро (Christopher Monroe) смогли применить на практике один из современных протоколов коррекции ошибок на ионном квантовом вычислителе. Авторы создали систему, которая в автоматическом режиме отслеживает возникающие ошибки и исправляет их на всех этапах работы — при приготовлении состояния, его измерениях и применении однокубитных операций. Контроль ошибок позволил создать стабильное и устойчивое к шумам устройство.

В отличие от классического бита, для которого возможен только один тип ошибок — переворота (вместо 1 на выход приходит 0 и наоборот), кубит подвержен и другому типу ошибок — фазовому. Поэтому измерения вспомогательных кубитов необходимо проводить в двух базисах, а для кодирования одного логического кубита требуется еще больше физических. В стандартной модели, исключить один вид ошибки, например, переворот кубита, позволяет использование трех физических кубитов вместо одного (как в классическом случае трижды измерить один и тот же бит). Причем все три кубита изначально должны иметь одинаковые состояния, а операции над ними тоже должны совпадать. Если же появляется еще один тип ошибки, то от него нужно застраховать каждый из трех кубитов — в итоге, для кодирования одного логического кубита требуется девять физических. Так работает алгоритм Бэйкона-Шора, который использовали авторы. Помимо 9 кубитов они использовали еще четыре для того, чтобы проводить измерения в двух разных базисах, поэтому длина цепочки ионов для эксперимента составила 9+4+2 (крайние не используются в эксперименте) = 15 штук.

Ученые сравнивали ошибки для схемы с коррекцией ошибок и без нее на этапах приготовления начальных состояний, измерения кубитов и их детектирования. Оказалось, что разработанная система позволяет создавать и измерять любые однокубитные состояния с 0,6 процента ошибок, что в десятки раз меньше такой же схемы без протокола коррекции. Причем большую точность удается получить именно при детектировании. Устойчивость к ошибкам стандартного набора преобразований (вентили Клиффорда), которые можно применять к кубитам оказалась тоже довольно высокой — всего 0,3 процента оказываются неверными.

Кроме того, физики смогли приготовить магические состояния с очень высокой степенью точности, что позволяет применять не только преобразования из группы Клиффорда, но и любые другие однокубитные.

Помимо точности результата и устойчивости к шуму, оказалось, что состояния, приготовленные в схеме с коррекцией ошибок, стабильнее во времени, чем такие же, но созданные в схеме без коррекции.

Авторы показали, что коррекция однокубитных ошибок работает в реальной физической системе. Для создания универсального шумоустойчивого контроля необходимо сделать еще два шага: создание CNOT вентиля для двух логических кубитов и стабилизация состояние после повторяющихся циклов коррекции. Все это можно реализовать в существующей схеме, как утверждают ученые, чем они и планируют заниматься в дальнейшем.

О том, какие еще квантовые коды коррекции ошибок можно будет реализовывать на более масштабных схемах можно узнать из работ Google AI по уменьшению числа вспомогательных кубитов, австралийского студента об увеличении корректируемого уровня шума или физиков из компании Amazon, предлагающих использовать кошачьи кубиты.

Оксана Борзенкова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.