Фотоны объединились с ионами для квантовых облачных вычислений

Физикам удалось связать между собой ионную и фотонную платформы для квантовых вычислений и организовать облачный доступ к вычислителю. Роль квантового процессора выполняли ионы кальция и стронция, а за передачу и прием сигнала отвечали фотоны. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Сейчас все квантовые вычислители и симуляторы располагаются в лабораториях и университетах, как и первые классические компьютеры. Но если обычные компьютеры в итоге удалось сделать компактными для размещения в офисе или дома, то с квантовыми так не получится — намного проще будет настроить доступ к ним с помощью существующих линий связи. А любая передача информации требует обеспечения безопасности. В данном случае пользователь должен иметь возможность отправить свой запрос на квантовый сервер, не раскрывая ни алгоритма, ни данных. И после выполнения вычисления получить результат, будучи уверенным, что никто не подглядывал за процессом

Обеспечить описанную конфиденциальность позволяет уже разработанная технология слепых квантовых вычислений (Blind Quantum Computing или BQC). Такие вычисления называются слепыми, потому что квантовый процессор не имеет полной информации о задачах, которые он решает.

Физики под руководством Дэвида Лукаса (D. M. Lucas) смогли экспериментально продемонстрировать работу слепых квантовых вычислений, объединив фотонную и ионную платформы. Они протестировали систему с реальным уровнем ошибок и смогли реализовать на ней точные двухкубитные операции.

Они использовали квантовый процессор (сервер) с двумя захваченными ионами: 43Ca+ выполнял роль кубита, хранящего информацию, а 88Sr + помогал установлению квантовой связи с клиентом. При этом у самого клиента должны быть только детекторы фотонов для того, чтобы измерять кубиты в разных базисах. Число детекторов не зависит от размерности процессора, то есть любая модернизация и усложнение установки не затронут систему пользователя.

В интерактивном протоколе, который реализовывали авторы, клиент может удаленно подготавливать состояния одного кубита на сервере, адаптивно, используя классическое управление — приготавливать, измерять, изменять, еще раз измерять, и так много раз, пока не получится желаемое состояние.

При наличии шума даже исправно работающий сервер выдает ошибки, которые нельзя отличить от изменения информации из-за ее перехвата. Поэтому в авторском протоколе пользователь может чередовать измерения состояния с тестами и тайно проверять ошибки. Если наблюдаемая доля неудачных тестовых раундов ниже выбранного порога, то пользователь может проводить вычисления. При этом он выбирает максимальную частоту неудачных тестов так, чтобы вероятность отклонения любого результата уменьшалась экспоненциально с увеличением числа тестов, что делает протокол устойчивым к ограниченному количеству шума.

Ученые проверяли работу слепых квантовых вычислений на кластерных состояниях. Из двух физических кубитов можно приготовить линейный кластер любой длины, потому на любом этапе можно измерять кубиты и заново их инициализировать. Пользователь меняет состояние связующего кубита, который потом взаимодействует с кубитом-хранилищем. После этого пользователь снова может менять состояние первого кубита и потом измерять полученные после нескольких итерации состояния.

Физикам удалось реализовать разные вычисления на небольших кластерах — с одной и двумя итерациями. Они выяснили, что при общей вероятности ошибки в 18,5 процента после 24 тысяч итераций удается снизить уровень ошибки до тысячных долей процента. А двухкубитную операцию CZ им удалось реализовать с точностью 99,8 процента, что превышает прошлый рекорд в 97,9 процента.

В сравнении с предыдущими экспериментами, где использовались только фотоны, авторский протокол помогает избавиться от постселекции, потому что все операции выполняются детерминировано — то есть с вероятностью, близкой к единице (в случае фотонов вероятность каждой операции меньше и на выходе нужно отбирать только подходящие состояния). Полученные результаты — важный шаг на пути к созданию безопасных облачных квантовых вычислений, которые смогут сделать квантовые процессоры доступными.

Физики уже проводили эксперименты с ион-фотонной платформой: в прошлом году они показали, что ее можно использовать как квантовую память.