Иллюстрация представлена Laird Egan et al. / Nature. Как стало известно, российские физики недавно показали полноценную практическую реализацию квантовых кодов для коррекции ошибок. В ходе исследования ученые успешно внедрили один из разработанных методов коррекции ошибок и на его основе создали квантовую систему, устойчивую к шумам и ошибкам. Предложенный протокол позволял отслеживать ошибки на каждом этапе работы схемы, суммарное количество которых не превышало одного процента. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Как известно, существующие и перспективные квантовые вычислители чрезвычайно чувствительны к разным внешним воздействиям. Незначительные изменения условий окружающей среды могут приводить к ошибкам и сбоям в работе системы. Исключить воздействие внешней среды практически невозможно (это сопряжено с большими сложностями), поэтому разработка эффективных методов коррекции ошибок является одной из ключевых задач при создании квантовых вычислителей.
В то время как создание работоспособного устройства преимущественно связано с инженерными решениями, разработка и оптимизация кодов для коррекции ошибок относятся к области теоретических исследований.
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.
Кода Бэйкона-Шора для цепочки из 15 ионов. 9 физических кубитов (белые кружочки) преобразуются в один логический. Четыре других используются для проведения измерений в разных базисах (поэтому два разных цвета — фиолетовый и оранжевый), крайние ионы (серые) не участвуют в вычислениях. Laird Egan et al. / Nature
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.
Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/
