«Кошачьи» кубиты сделали квантовый компьютер более отказоустойчивым

Физики из компании Amazon представили схему отказоустойчивого квантового компьютера, в котором реализован новый подход к квантовой коррекции ошибок. В основе архитектуры этого компьютера лежат «кошачьи» кубиты (находящиеся в квантовом состоянии кота Шредингера), обладающие высокой устойчивостью к переворачиванию битов. Препринт статьи опубликован на arXiv.org.

Создание квантового компьютера — это непростая задача. Проблема заключается в том, что квантовая система неизбежно контактирует с окружающей средой. При этом информация о квантовой системе, изначально закодированная в устройстве, просачивается в окружающую среду. Это явление называется декогеренцией. После декогеренции уже нельзя получить доступ ко всей информации об устройстве, наблюдая только за ним. Это значит, что происходит ошибка и часть информации теряется. Для того, чтобы построить надежный квантовый компьютер, нужно научиться сводить к минимуму такие ошибки.

Один из подходов — уменьшение количества
ошибок логического элемента с
использованием избыточного числа
кубитов, или активная квантовая коррекция
ошибок. Этот метод основан на естественном
предположении, что если сравнить
несколько копий одного и того же состояния
и они будут отличаться между собой, то
произошла ошибка, а в обратном случае все в порядке.
Несмотря на некоторые трудности (в
квантовой механике невозможно просто
скопировать кубит), такой подход реализуем на практике. Но у него есть недостаток — необходимость
использования дополнительных кубитов
заметно увеличивает их общее количество,
что делает задачу более сложной с точки
зрения технической реализации.

Пассивная, или автономная, квантовая
коррекция ошибок — это противоположный
подход. Для его осуществления разрабатывают
физические вычислительные системы,
которые имеют внутреннюю устойчивость
к ошибкам.

Группа ученых из Amazon под руководством Фернандо Брандао (Fernando Brandão) разработала новую схему квантового компьютера, устойчивого к ошибкам. Они использовали «кошачьи» кубиты, или кубиты в квантовом состоянии
кота Шредингера (cat state), то есть в суперпозиции когерентных состояний
с противоположными фазами. Идея заключается в том, что после стабилизации «кошачьего» кубита ошибки с переворотом битов становятся чрезвычайно редкими, а ошибки переворота фазы — более частыми.
А для того,
чтобы защититься от ошибок переворота
фазы, можно использовать активную коррекцию ошибок. В данном случае для активной коррекции ошибок использовался простейший код повторения на основе X, где X — матрица Паули.

Для выполнения логических операций на кубитах используются квантовые вентили. В более ранних работах было показано, что универсальный набор вентилей, включая
вентили X, Z, CNOT и Тоффоли, может быть
выполнен на «кошачьих» кубитах с
использованием того же двухфотонного
механизма возбуждения и потерь. Ключевой момент состоит в том, что эти вентили не только универсальны, но и не приводят к дополнительным переворотам битов. «Кошачьи» кубиты, между которыми осуществляется логическая операция, должны быть подключены у единому подпитывающему резервуару. Авторы исследования обнаружили, что такое подключение приводит к коррелированным ошибкам между ними. Если подключить больше четырех кубитов к одному резервуару, то эти помехи не будут скомпенсированы активной коррекцией ошибок. Это число и определило компоновку и возможности
подключения архитектуры.

Идея использовать вместе состояния
кота Шредингера и активную коррекцию
ошибок не нова. Отличие этого исследования
от предыдущих заключается в том, что ученые выполнили
полное моделирование шума, включая
углубленное исследование редких
процессов переворота битов. Использование архитектуры, предложенной в работе, и активной коррекции ошибок, позволяет достичь логической ошибки
2,7×10^-8, используя всего 9 кубитов
кода данных — это улучшение более чем на пять порядков по сравнению с полностью
незащищенными кубитами. Согласно оценке ученых, такая схема («кошачьи» кубиты и коды повторения) с чуть более чем двумя
тысячами сверхпроводящих компонентов,
используемых для стабилизации, могла
бы создать сотню логических кубитов,
способных надежно выполнить тысячу
вентилей Тоффоли.

Ранее мы рассказывали об еще одном успехе в области квантовых вычислений — о том, как квантовая коррекция ошибок научилась переваривать вдвое больший шум.

Яна Савченко

Источник: nplus1.ru

. .