Квантовые вычислители на нейтральных атомах запутали и изменили три кубита за раз

Двум группам физиков на разных видах нейтральных атомов удалось добиться высокой точности одно-, двух- и даже трехкубитных операций, протестировать код коррекции ошибок и усовершенстовать свои предыдущие результаты в приготовлении запутанных состояний. Обе работы (1, 2) опубликованы в журнале Nature.

Платформы на нейтральных атомах и ионах приобретают все большую популярность в среде квантовых вычислений. Ученым уже удалось собрать симуляторы с сотнями атомов и реализовать на них алгоритмы.

Для улучшения характеристик систем на нейтральных атомах физики предлагают и пробуют еще не использованные разновидности атомов или комбинируют их между собой. Кроме того, они стараются сделать структуры из атомов, которые будут удобными для коррекции ошибок — это второй важный шаг после сбора и проверки системы. Из-за высокой чувствительности к внешним воздействиям квантовые вычислители оказываются очень шумными для реализации сложных алгоритмов, поэтому без коррекции ошибок двигаться дальше в их усовершенствовании невозможно.

Физикам под руководством Джефа Томпсона (Jeff D. Thompson) из Принстонского университета удалось реализовать на атоме иттербия-171 одно- и двухкубитные вентили с точностями 99,9 и 98 процентов соответственно. Помимо этого они предложили и реализовали эффективную схему коррекции ошибок, которая исправляет ошибки во время вычисления. О том, что атомы редкоземельных металлов могут оказаться очень удобны в качестве кубитов, говорили и прежде. Благодаря структуре энергетических уровней, в которой электрон может находиться в метастабильном возбужденном состоянии, на таких атомах получается реализовывать долгоживущие кубиты. А время жизни кубита непосредственно влияет на то, как много операций над ним можно выполнить, что тоже очень важно для создания мощных вычислителей.

Еще одно из достоинств иттербия-171 физики использовали при реализации квантового кода коррекции ошибок. Во время вычислений они следили за флуоресценцией для фиксации кубитов, в которых возникают ошибки и их исправления. Самыми удобными с точки зрения детектирования и исправления оказываются ошибки «стирания» — когда электрон в атоме неконтролируемо сваливается в основное состояние. Важно, что при таких ошибках легко определить в каком именно кубите возникла ошибка, а сама ошибка не влияет на состояние других кубитов, это сильно упрощает сам процесс коррекции.

Детектирование ошибок ученые проводили с помощью быстрого получения изображений атомов (fast fluorescence imaging), которые находятся в основном состоянии, он занимает порядка 20 микросекунд, что очень мало в сравнении со временем жизни кубитов — порядка единиц секунд. Даже измерение финального состояния после всех преобразований занимает в 160 раз больше времени, чем проверка системы на наличие ошибок.

Все описанные улучшения важно охарактеризовать количественно — то есть показать, с какой точностью можно реализовать одно- и двухкубитные операции и сколько их можно реализовать за время жизни системы. Однокубитные вентили авторы тестировали запуском на вычислителе рандомизированного теста из 300 однокубитных операций, при этом каждые 50 операций они делали проверку и коррекцию ошибок. Тестирование двухкубитных вентилей проводили двумя разными способами: в одном эксперименте приготавливали и измеряли состояния Белла, а в другом к рандомизированному тесту из однокубитных вентилей добавляли 10 двухкубитных CZ вентилей. В последнем случае код коррекции ошибок запускали после каждых двух вентилей CZ.

Авторы второй статьи, физики под руководством Михаила Лукина (Mikhail D. Lukin) из Гарвардского университета, сделали акцент на «запутывающие» операции (например, описанный выше CZ), но помимо двухкубитных авторам удалось реализовать и трехкубитные операции с высокой точностью и протестировать с ними схему из 60 атомов. Важно, что запутывать атомы можно параллельно с их позиционированием — это позволяет ускорить вычисления.

Физики выделили основные причины ошибок, с которыми им пришлось бороться: спонтанная эмиссия (авторы прошлой статьи отнесли ее к ошибкам стирания); температурные эффекты, ограниченное время жизни Ридберговского состояния, которое используется для двухкубитных вентилей; экспериментальные неидельности. С первой проблемой помогло справиться увеличение отстройки промежуточных состояний, а для решения второй ученые использовали одну из разновидностей суб-доплеровского охлаждения (⅄-enchanced grey molasses cooling), с помощью которой добились более низких температур.

Авторам удалось собрать атомы в цепочку, которая состояла из 10 состояний Белла (в каждом пара атомов) с точностью в 98 процентов, что на 2 процента лучше, чем в их предыдущей работе. После этого они проводили разные последовательности операций над этой цепочкой: применяли нечетное число CZ вентилей, чтобы посмотреть, как спадает точность с увеличением их числа; как и в работе ученых из Принстона они перемешивали CZ вентили с однокубитными и смотрели на итоговое состояние. Все это для того, чтобы определить точность операций в разных конфигурациях экспериментов. Точность двухкубитных операций оказалась равно 99,5 процента. Последним экспериментом была реализация трехкубитного вентиля CCZ. Для этого потребовалась цепочка уже из 60 атомов и приготовление не состояния Белла, а GHZ (это когда между собой запутаны сразу три кубита). Точность такой операции составила 97, 9 процента. Кроме того, ученые предложили как реализовать такие же быстрые нативные вентили для 4,5 и 6 кубитов.

Подробнее о том, какие классические коды коррекции ошибок существуют и как они работают можно узнать из нашего материала «Квантовая коррекция». Как применяется квантовая коррекция ошибок на другой платформе — сверхпроводниках — из работ по усовершенствованию системы из кубитов-трансмонов и демонстрации возможностей флаксониевых кубитов.