Иллюстрация: Shuo Ma et al. / Nature, 2023. Две независимые научные команды физиков с помощью различных видов нейтральных атомов смогли получить высокую точность одно-, двух- и трехкубитных операций, а также испытать программноерешение для быстрой корректировки ошибок и улучшить полученные ранее результаты в создании запутанных состояний. Обе описанные 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.

Схема экспериментальной установки с оптическим пинцетом и двумя камерами для детектирования состояния системы (a), и схема энергетических уровней с переходами, кодирующими кубит и переходами для проведения измерений (b). Shuo Ma et al. / Nature, 2023
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.

Схематичное изображение цепочек из атомов с указанием двух- и трехкубитных операций. Simon J. Evered et al. / Nature, 2023
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.
Как применяется квантовая коррекция ошибок на другой платформе — сверхпроводниках — из работ по усовершенствованию системы из кубитов-трансмонов и демонстрации возможностей флаксониевых кубитов.
Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/