Иллюстрация: Shuo Ma et al. / Nature. Две независимые инициативных группы физиков очень успешно продемонстрировали высокую точность одно-, двух- и даже трехкубитных операций с использованием различных типов нейтральных атомов, а также протестировали программные решения для оперативной коррекции ошибок, что позволило улучшить ранее достигнутые показатели создания запутанных состояний. Результаты данных исследований были опубликованы в журнале Nature. Платформы на основе ионов и нейтральных атомов демонстрируют растущий интерес в области квантовых вычислений: ученые уже разработали симуляторы с сотнями атомов для реализации соответствующих алгоритмов. В целях оптимизации характеристик систем на базе нейтральных атомов исследователи применяют новые виды изотопов или используют комбинированные структуры.
Одним из ключевых этапов после сборки и верификации системы является создание атомных структур, приспособленных для коррекции ошибок. Учитывая высокую чувствительность квантовых вычислителей к внешним воздействиям и сопутствующий уровень шума при выполнении сложных алгоритмов, внедрение механизмов исправления ошибок является необходимым условием для дальнейшего развития технологий.
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
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
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.
Квантовые компьютеры и борьба с ошибками: как защитить хрупкие кубиты
Квантовые компьютеры — это не просто более мощные версии обычных. Это принципиально иной способ обработки информации, основанный на законах квантовой физики. Вместо привычных битов, которые могут быть либо 0, либо 1, квантовые компьютеры используют кубиты — элементы, способные находиться одновременно в суперпозиции 0 и 1. Благодаря этому они могут решать определённые задачи, такие как моделирование молекул или взлом шифров, в миллионы раз быстрее, чем классические машины.
Но у этой силы есть и слабое место: квантовые состояния невероятно хрупки.
Почему квантовые компьютеры так легко “ломаются”?
Представьте, что вы балансируете карандаш на кончике пальца. Даже лёгкое дуновение ветра — и он падает. Так же и с кубитами: любое внешнее воздействие — тепло, электромагнитные волны, вибрации — может нарушить их состояние. Этот процесс называется декогеренция, и он приводит к появлению ошибок в вычислениях.
Кроме того, операции с кубитами сами по себе неидеальны. Даже самые точные лазеры и микроволновые импульсы, управляющие кубитами, вносят небольшие погрешности. В результате, при выполнении сложных алгоритмов — например, квантовой симуляции или факторизации чисел — ошибки накапливаются, и результат становится бесполезным.
Таким образом, даже если мы построим квантовый компьютер с тысячей кубитов, он не сможет решать практические задачи, если не научимся исправлять ошибки.
Что такое коррекция квантовых ошибок?
В классических компьютерах исправление ошибок — дело привычное. Например, чтобы защитить один бит, можно просто продублировать его: 0 → 000, 1 → 111. Если один из трёх битов “перевернулся” из-за помехи, система всё равно поймёт, что было изначально.
Но в квантовом мире так нельзя. Во-первых, состояние кубита нельзя скопировать — это запрещает теорема о запрете клонирования. Во-вторых, измерение разрушает суперпозицию: если мы попробуем “посмотреть”, что происходит с кубитом, мы его случайно выведем из нужного состояния.
Поэтому квантовая коррекция ошибок — это тонкий баланс между наблюдением и сохранением. Учёные придумали способ, при котором несколько физических кубитов объединяются в один “логический кубит”, устойчивый к шуму. Эти кубиты связаны особым образом — в структуру, напоминающую кристалл или решётку, — и вместе они могут обнаруживать и исправлять ошибки, не измеряя напрямую само квантовое состояние.
Атомные структуры: основа устойчивых кубитов
Одним из ключевых этапов после сборки и верификации квантовой системы становится создание атомных структур, специально приспособленных для коррекции ошибок. Это могут быть:
- Решётки из ионов, удерживаемых электромагнитными ловушками.
- Системы из сверхпроводящих цепей, соединённых в сложные топологии.
- Атомы, размещённые с точностью до одного нанометра на поверхности кремния.
Такие структуры проектируются так, чтобы ошибки можно было обнаруживать по косвенным признакам — например, по тому, как изменяются связи между кубитами. Это похоже на то, как сейсмологи определяют землетрясение по колебаниям земли, не видя самого разлома.
Особую роль играют топологические коды, такие как код Торричелли (surface code), где логический кубит “распределяется” по двумерной сетке. Даже если один или несколько физических кубитов дают сбой, информация остаётся защищённой — как если бы сообщение было записано не в одной точке, а по всему полю, и стереть его целиком было бы крайне трудно.
Зачем это нужно? Квантовое превосходство — не только в мощности
Многие демонстрации “квантового превосходства” — когда квантовый компьютер решает задачу быстрее суперкомпьютера — проводятся на небольших, не исправляющих ошибки системах. Но такие эксперименты — скорее технологическая веха, чем практическое применение.
Для реальных задач — например, моделирования новых лекарств, оптимизации сложных логистических сетей или разработки новых материалов — нужны долгие, сложные вычисления, которые невозможно выполнить без защиты от ошибок. Именно поэтому внедрение механизмов коррекции ошибок — не опция, а необходимость.
Без них квантовые компьютеры так и останутся лабораторными диковинками. С ними — они могут изменить мир.
Будущее: от шума к стабильности
Сейчас большинство квантовых процессоров работают в режиме NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) — то есть, “шумные, средние по размеру”. Они полезны для исследований, но не для промышленного применения.
Следующий рубеж — FTQC (Fault-Tolerant Quantum Computing), или квантовые компьютеры с исправлением ошибок. Для этого может потребоваться тысячи физических кубитов на один логический, но результат — стабильная, надёжная машина, способная работать часами без сбоев.
Учёные по всему миру — в Google, IBM, IonQ, а также в российских лабораториях — активно работают над созданием таких систем. Уже есть первые прототипы, где продемонстрировано подавление ошибок. Это маленькие шаги, но в правильном направлении.
Заключение
Квантовые компьютеры — это не просто “быстрые машины”. Это новая форма вычислений, требующая новой логики, новых материалов и новых подходов к надёжности. Создание атомных структур, приспособленных для коррекции ошибок, — один из самых важных этапов на этом пути.
Пока мы учимся защищать хрупкие квантовые состояния, мы не просто строим компьютеры. Мы учимся управлять самой природой на фундаментальном уровне.
И когда однажды квантовый компьютер вылечит болезнь, которую не могли победить десятилетиями, — за этим успехом будут стоять не только алгоритмы, но и то, как мы научились исправлять ошибки, не нарушая квантовой магии.
Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/
