Найден способ ускорения квантовых вычислений в 1000 раз

Квантовым компьютерам прочат большое будущее. Но узким местом, которое мешает их широкому внедрению, остается подверженность ошибкам, которые возникают от малейшего внешнего воздействия — от нагрева до космических лучей.

«Элементарные строительные блоки квантовых компьютеров — кубиты — настолько чувствительны, что даже мельчайшее возмущение может заставить квантовое состояние отклониться от целевого, что приводит к потере информации. Если ошибок накопится слишком много до того, как их успеют исправить, результаты вычислительной операции становятся непригодными», — говорит физик Лей Ду из Технического университета Чалмерса.

Он выступил в роли ведущего автора теоретического исследования в журнале Physical Review Letters, где описан прорывной метод обхода этого узкого места квантовых вычислений, в основе которого — работа с так называемыми бозонными квантовыми кодами.

«Вместо того чтобы хранить квантовую информацию в отдельных кубитах, бозонные коды кодируют ее в микроволновых полях внутри сверхпроводящих схем. Такой подход, как показано, обеспечивает более надежную защиту от определенных типов ошибок», — подчеркивает соавтор работы Танъю Хуан из Чалмерса.

Квантовые операции на основе бозонных квантовых кодов, как известно, сложно создавать и контролировать. Прежние подходы, при которых такие квантовые состояния собирались по частям, требовали проводить квантовую систему через тысячи повторяющихся циклов управления. Это долгий процесс, наращивающий риск возникновения ошибок.

«Наш метод показывает, что самые разные квантовые операции над бозонными состояниями можно выполнить за один цикл управления, а не за несколько тысяч, как требовалось раньше. Это делает операции и быстрее, и эффективнее, снижая риск того, что помехи испортят информацию до завершения процесса. Это важный шаг к отказоустойчивым квантовым компьютерам», — говорит Ду.

В основе подхода исследователей лежат так называемые квантовые решеточные гейты — новый универсальный набор квантовых гейтов, впервые предложенный недавно той же исследовательской группой. Работая во многом как команды быстрого вызова, эти гейты позволяют выполнить нужную операцию за один цикл управления, делая процесс проще и менее подверженным ошибкам.

«Это можно сравнить с постройкой большого замка из Lego. Вместо того чтобы собирать его кирпичик за кирпичиком, рискуя ошибиться на каждом шагу, квантовые решеточные гейты действуют как готовые модули Lego, которые можно быстро и эффективно соединять», — объясняет Хуан.

Бозонные квантовые коды хранят квантовую информацию в состояниях, например, микроволновых или оптических резонаторов, а не в отдельных кубитах. Квантовые решеточные гейты — это недавно предложенный набор вентилей для управления бозонными квантовыми состояниями. Один из способов реализации таких операций — инженерия Флоке, которая предполагает управление квантовой системой с помощью периодических сигналов.

Метод особенно хорошо подходит для сверхпроводящих квантовых компьютеров — одной из ведущих платформ в глобальной гонке за крупномасштабные квантовые вычисления. По этому принципу будет функционировать 100-кубитный квантовый компьютер, который сейчас разрабатывается в Чалмерсе.

«Основное преимущество нашего подхода в том, что его можно реализовать на существующих платформах сверхпроводящих квантовых схем. Мы уже обсуждаем возможные экспериментальные реализации с коллегами в Чалмерсе и надеемся увидеть демонстрацию метода в ближайшем будущем», — подытожил Хуан.